Красноярский радио завод 2 глава

Современные методы получения ультразвука основываются на использовании пьезоэлектрического и магнитострикционного эффектов.

В 1880 году французские ученые братья Жак и Пьер Кюри открыли пьезоэлектрический эффект. Сущность его заключается в том, что если деформировать пластинку кварца, то на ее гранях появляются противоположные по знаку электрические заряды. Следовательно, пьезоэлек­тричество— это электричество, возникающее в результа­те механического воздействия на вещество («пьозо» по-гречески означает «давить») (51, с.63).

Несколько упрощая, можно сказать, что пьезоэлек­трический преобразователь представляет собой один или несколько соединенных определенным образом отдель­ных пьезоэлементов с плоской или сферической поверх­ностью, приклеенных на общую металлическую пластину (51, с67). Для получения большой интенсивности излучения применяют фокусирующие пьезоэлектрические преобра­зователи, или концентраторы, которые могут иметь самые различные формы (полусферы, части полых сфер, полые цилиндры, части полых цилиндров). Такие преобразова­тели используют для получения мощных ультразвуковых колебаний на высоких частотах. При этом интенсивности излучения в центре фокального пятна у сферически:; преобразователей в 100—150 раз превышает среднюю интенсивность на излучающей поверхности преобразо- вателя (51, с.68).

МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ЭФФЕКТ

В 1847 году Дж. Джоуль заметил, что если поместить. стержень из ферромагнитного материала в направлен­ное вдоль него магнитное поле, геометрические размеры стержня изменятся — проще говоря, он деформируется Это явление называется магнитострикционным эффек­том, или магнитострикцией (магнит и латинское stric-tio — сжатие). Ферромагнетизм, то есть «железный маг­нетизм»,— это совокупность магнитных свойств железа. К числу ферромагнитных материалов, кроме железа, относится ряд металлов, некоторые сплавы и окислы ме­таллов.

Магнитострикционный эффект, как и пьезоэлектриче­ский, обратим. Если по обмотке, наложенной на ферро­магнитный стержень, пропустить переменный ток, то под воздействием изменяющегося магнитного поля стержень будет деформироваться (удлиняться и укорачиваться) — прямой магнитострикционный эффект. Если же ферро­магнитный стержень, на который наложена обмотка, сжимать или растягивать, то его магнитные свойства будут изменяться, а в обмотке возникнет переменный ток — обратный магнитострикционный эффект (51, с.68).

Изучение магнитострикционного эффекта важно по­тому, что магнитострикционные материалы применяют­ся для изготовления различных приборов и устройств, например магнитострикционных излучателей, датчиков для исследования деформаций и напряжений в деталях машин и т. п.

Для изготовления магнитострикционных преобразова­телей применяются пермендюр, никель и железоалюминиевые сплавы — альферы. Наиболее высоким магнито­стрикционным эффектом обладает сплав платины с же­лезом, но из-за большой стоимости этот сплав практиче­ски не применяется. Чаще магнитострикционные преобра­зователи делают из тонких листов, склеенных между собой. Толщина пластин обычно выбирается 0,1—0,3 мил­лиметра. На сердечник, собранный из тонких листов, накладывается обмотка.

По сравнению с пьезоэлектрическими магнитострик­ционные преобразователи имеют преимущества в том, что у них большие величины относительных деформа­ций, большая механическая прочность, большой срок службы, они менее чувствительны к температурным воз­действиям (51, с.69).

Пьезоэлектрические и магнитострикционные преобра­зователи значительно различаются по принципу действия и конструктивному выполнению. Однако они взаимно дополняют друг друга. Как первые, так и вторые исполь­зуются в ультразвуковых приборах и устройствах. Пье­зоэлектрические преобразователи применяются в тех случаях, когда необходимо получить и принять ультра­звуковые колебания сравнительно больших частот (бо­лее 100 тысяч герц). Магнитострикционные преобразова­тели применяются для работы при сравнительно неболь­ших частотах (51, с.70).

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Ультразвуковые преобразователи (пьезоэлектриче­ские и магнитострикционные) работают от источника питания электрической энергии. Эту задачу выполняют ультразвуковые генераторы, которые подразделяются на машинные и ламповые (полупроводниковые). К ультразвуковым генераторам предъявляются следующие основные требования: стабильность частоты, возможность плавного регулирования частоты и выходной мощности, надежность в работе, небольшие габариты (51, с.70).

Кавитационные пузырьки возникают не только при вращении винтов и турбин. Они поязляются, если в жид­кость излучать ультразвуковые колебания. Кавитацию, возникающую под воздействием ультразвуковых колеба­ний, иногда называют ультразвуковой кавитацией. Ульт­развуковые колебания образуют в жидкости чередующи­еся в соответствии с частотой области высоких и низких давлений. В разреженной зоне гидростатическое давле­ние понижается до такой степени, что силы, действующие на молекулы жидкости, становятся больше сил межмо­лекулярного сцепления. В результате резкого изменения гидростатического равновесия жидкость как бы разры­вается, порождая многочисленные мельчайшие пузырь­ки газов и паров, находящиеся до этого в жидкости в растворенном состоянии. В следующий момент, когда в жидкости наступает период высокого давления, образо­вавшиеся ранее пузырьки «захлопываются». Возникают ударные волны с очень большим местным мгновенным давлением (импульсы огромных давлений), достигающим нескольких сотен атмосфер (51, с.83). Вот эти бесчисленные микровзрывы кавитационных пу­зырьков обладают сильным уничтожающим действием на всё живое и могут причинить человеку значительный вред или смерть, так как человек на 80% состоит из воды.

Однако, ультразвук воздействует и на хи­мические реакции. Разрежения, возникающие в мощном ультразвуковом поле, как мы уже говорили, могут быть настолько велики, что жидкость не выдерживает и раз­рывается, образуя множество микроскопических пузырь­ков, то есть возникает уже известная нам кавитация. Внутри пузырьков, помимо паров воды и воздуха, нахо­дятся также мельчайшие капельки воды, которые отры­ваются от ее поверхности в момент разрыва.

Установлено, что стенки кавитационного пузырька и капельки, находящиеся внутри него, заряжены разнои­менным электричеством. При сжатии пузырьков их раз­меры резко уменьшаются и заряды оказываются рас­положенными на пузырьках очень малых размеров. В результате этого электрическое напряжение сильно воз­растает. Между стенками кавитационных пузырьков и ка­пельками, находящимися внутри них, происходят элект­рические разряды, которые и являются главной причиной химического действия ультразвука. Но не только это. При захлопывании кавитационных пузырьков, как мы знаем, возникает огромное давление, сопровождающееся повышением температуры. Большое давление и темпера­тура также способствуют химическим превращениям (51, с.117), что гораздо улучшает поражение человеческого материала. Также установлено, что ультразвук очень быстро разрушает органическую ткань (51, с.145).

В Московском институте гигиены имени Ф. Эрисмана были произведены многочисленные исследования по изу­чению влияния ультразвука на состояние рабочих, непо­средственно соприкасающихся с ним в своей работе. Ученые установили, что на человека оказывают дейст­вие ультразвуковые колебания только большой интен­сивности. Те, кто попал в зону сильного ультразвукового излучения, жалуются на недомогание и легкое голово­кружение, у них появляется тошнота. Если при ультра­звуковых колебаниях большой силы держать рот откры­тым, то в нем ощущается покалывание, в носу появля­ется неприятное ощущение (51, с.149).

Действие ультразвука складывается из трех факторов: теплового, механическо­го и физико-химического.

Тепловое действие основано на глубоком и равномер­ном прогревании тканей в результате поглощения ею энергии ультразвукового излучения. Здесь, чтобы быстрее лишить человека жизни частоту ультразвуковых колебаний выбирают с таким расчётом, чтобы поглощение было максимальным. Механическое дей­ствие представляет собой своего рода микромассаж кле­ток и тканей. При этом смещение частиц необходимо сделать максимальным, а ско­рость их движения как можно большим. Физико-химическое действие заключается в изменении хода окислительно-восстановительных процессов, ускоренном расщеплении сложных белковых комплексов до обычных органических молекул, активизации ферментов. При причинении вреда изменение окислительно-восстановительных процессов и нарушение обмена веществ надёжно нарушит работу всего организма человека (51, с.159). Главное здесь для достижения цели, чтобы лищить человека жизни, преступник всегда стремится дать максимальную мощность ультразвукового излучения.

Ультразвуковой скальпель – прибор «Узум» можно использовать для внутреннего разрезания, расслаивания тканей организма человека, без повреждения внешнего покрова кожи, при скрытном и быстром причинении вреда или способствовать увеличению внутреннего кровотечения.

В Акустическом институте АН СССР создана уста­новка, фокусирующая ультразвук, подобно увеличитель­ному стеклу. Сфокусированные ультразвуковые колеба­ния используются в нейрохирургии. Ультразвуковым фо­кусирующим прибором можно разрушать отдельные участки нервных клеток. Прибор создает в определенной области или точке очень большое звуковое давление. Фокусное расстояние можно изме­нять, а следовательно, и выбирать любой оперируемый участок по глубине залегания без повреждения верхних слоев (51, с.161).

Хирурги получили такие наисовременнейшие «скальпе­ли», как лазерный и ультразвуковые лучи.

Ультразвуковой «скальпель» режет ткань на грани­цах контакта клеточных мембран за счет высокочастот­ной энергии.

С помощью ультразвукового инструмента можно и рассекать и соединять почти все живые ткани. Так, уль­тразвук уже применяется при трепанациях черепа и дру­гих костей (51, с.162). Cпециалистам нередко при­ходится прибегать к остеотомии — операции по рассече­нию кости. Ныне все чаще в таких случаях хирург берет в руки не долото и пилу — традиционные инструменты, а ультразвуковой волновод. Ультразвук режет кость так же легко, как горячий нож масло. Й что очень важно, применение его полностью исключает образование кост­ных сколов, мелких отломков. Разрез, произведенный ультразвуком, получается ровным и гладким.

Ультразвук помогает не только легко и быстро раз­резать кость (51, с.162), но создано идеальное устройство для причинения вреда человеку, которое может скрытно поразить любой орган человека по тому же принципу ультразвукового скальпеля. Для ультразвуковой резки и сварки биологических тканей создан аппарат УРСК-7Н. Он обещает стать в целом ряде случаев незаменимым инструментом. Прибор позволяет рассекать кость практически в любом направлении.

Для этих же целей служит ультразвуковая установка УЗУЛ-1. Она состоит из ультразвукового генератора, большого набора скальпелей и стерилизаторной ванны (51, с.163). Установка представляет собой своеобразный хирургиче­ский комбайн с помощью которого можно не только лечить, но и успешно калечить людей, увеличив частоту и мощность излучения. При этом можно поразить не только мягкие ткани, но и костные ткани.

В настоящее время возможно применение для причинения вреда миниатюрного ультразвукового оружия. Если ультразвуковым излучателем прикоснуться к голове человека, то произойдёт частичное разрушение мозговых тканей, очень похожее на поражения при инсульте. Таким образом, можно скрытно надёжно вывести человека из строя или даже убить. Размеры такого излучателя не больше размеров автторучки. В руках шпионов или преступников ультразвуковой излучатель является грозным оружием – истинную причину смерти при вскрытии установить очень трудно, а иногда и невозможно. Дополнительно следует отметить, что воздействуя акустическими колебаниями на организм человека, можно вызывать нарушения работы или разрушение различных органов, поскольку все органы: мозг, лёгкие, сердце, желудок и так далее – резонируют на разных частотах и усиленно поглощают именно резонансные частоты. Излучая звук требуемой частоты, можно избирательно воздействовать на различные органы (52, с.53).

В США оружие, поражающее ультразвуковым излучением создавалось в рамках следующих военных программ: “Синяя птица”; “Артишок” и секретного проекта ЦРУ “МК-ультра” (“Ультрамозговой контроль”). Программа “МК-ультра”, как сообщил, в 1977 году руководитель ЦРУ Ст. Тернер, выполнялась в США на основе контрактов с 44 университетами и колледжами, 15 исследовательскими группами, 80 учреждениями и частными фирмами. Для проведения экспериментов на человеческом материале были подключены 12 больниц и 3 исправительных дома. За рубежом (когда работать в США стало опасно) программа выполнялась в Канаде, на Филлипинах и в Японии (52, с.65).

В СССР и России также была развёрнута ещё в больших масштабах военная программа по созданию оружия, поражающего ультразвуковым излучением. При этом с подопытным человеческим материалом, даже в неограниченных количествах, проблем никогда не было.

ЗВУКИ «ТИШИНЫ»

Инфразвуки — это звуки с частотой 16—20 герц и ниже. Казалось бы, это небольшой участок частотной шкалы. Однако колебания в границах этого участка мо­гут быть равны одному герцу, десятой, сотой, тысячной, миллионной доле герца и т. д. Эта область звуковых частот лежит вне восприятия человеческим ухом.

В начале книги отмечалось, что инфразвуки изучены еще недостаточно. Вместе с тем даже то, что мы о них знаем, дает основание сделать вывод о большом науч­ном и практическом значении звуковых колебаний такой частоты. Обращает внимание прежде всего тот факт, что звуковые волны этого частотного диапазона характери­зуются высокой проникающей способностью: они рас­пространяются на большие расстояния и почти при этом не ослабляются.

Инфразвуковые волны возникают в самых различных условиях: при обдувании ветром зданий, деревьев, теле­графных столбов, металлических ферм, при движении человека и животных, при работе различных механизмов и т. д. Иными словами, мы живем в мире инфразвуков, не подозревая об этом. Зарегистрировать их могут лишь специальные приборы.

Но не подозревая о существовании в мире инфразву­ков, не слыша их, мы тем не менее можем от них постра­дать или в лучшем случае испытать весьма неприятные ощущения.

Дело в том, что некоторые внутренние органы чело­века имеют собственные резонансные частоты колебаний 6—8 герц. При воздействии инфразвука этой частоты может возникнуть, естественно, резонанс и вызвать не­приятные ощущения, а то и привести к тяжелым послед­ствиям. Инфразвук даже небольшой мощности действует болезненно на уши, заставляет «колебаться» внутренние органы — человеку кажется, что внутри у него все виб­рирует (51, с.176).

При испытании одного из генераторов инфразвука исследователи вдруг почувствовали себя плохо. Все вибрировало у них вну­три — желудок, сердце, легкие. В соседних лабораториях люди закричали от боли. Генератор выключили, но в течение еще нескольких часов они чувствовали себя со­вершенно «разбитыми». В той же лаборатории был соз­дан инфразвуковой генератор, способный разрушить зда­ние, хотя его мощность составляла всего 2 киловатта.

Разрушительная сила инфразвука проявляется тогда, когда частота инфразвуковых колебаний совпадает с собственной (резонансной) частотой предметов. Проис­ходит примерно то же самое, что в известном из школь­ного курса физики случае, когда под шагавшими в ногу солдатами обрушился мост. Естественно поэтому, что работа с инфразвуком и его изучение представляют из­вестную трудность (51, с.177).

Источ­ники инфразвука — инфразвуковые генераторы. По принципу работы генераторы напоминают органную тру­бу или полицейский свисток. Некоторые из таких соору­жений имеют огромную мощность. В лаборатории Гавро был изготовлен генератор, который излучал волны, почти смертельные для человека. Через пять минут после на­чала работы этого генератора сами его создатели стали испытывать мучительные боли. Инфразвук интенсив­ностью 160 децибел непосредственно действовал на вну­тренние органы человека, и была реальная угроза, что он может привести к внутренним кровоизлияниям. Дру­гой изготовленный здесь генератор хоть обладал значи­тельно меньшей мощностью, тем не менее ее вполне хва­тило, чтобы на потолке и стенах помещения появились трешины. По подсчетам Гавро инфразвуковой источник с частотой 7 герц должен иметь диаметр около 7,5 метра. Мощность такого чудовища в 170 тысяч раз будет пре­восходить мощность полицейского свистка.

Приведенные случаи — особые, связанные с больши­ми дозами инфразвукового излучения. А обычный эффект его слабого воздействия на человеческий организм про­является в виде «морской болезни», тошноты, головокру­жения, усталости, неприятных ощущений, головной бо­ли, иногда ослабления зрения.

Научные исследования показали, что инфразвук «при­сутствует» практически везде, но, безусловно, в разных дозах. Наиболее он ощутим, например, в тоннелях, где движутся поезда и автомобили, а также под мостами и эстакадами. Измерения позволили сделать вывод, что инфразвук усиливается в помещениях небольшого объе­ма. Проще говоря, в квартире, например, он более ощу­тим, чем на улице (51, с.178).

Инфразвук проходит без значительного ослабления многие преграды, благодаря тому что у него очень велика длина волны. Причем тут любопытно вот что: инфразвуки легко «маскируются» слышимыми звуками — шумом. Чем более шумно вокруг нас, тем меньше «слышен» инфразвук.

Инфразвук любой частоты и интенсивности техноген­ного происхождения — это один из видов загрязнения окружающей среды, вредного для здоровья люден. К со­жалению, нигде в мире нет пока научно установленных нормативов инфразвукового излучения, отступление от которых влечет за собой неблагоприятные воздействия на человеческий организм. Но исследования в этом на­правлении интенсивно ведутся на фоне изучения инфра­звуков вообще. У нас в стране этим занимаются, напри­мер, в Научно-исследовательском институте строительной физики (НИИСФ), Московском научно-исследователь­ском институте гигиены имени Ф. Ф. Эрисмана и Мос­ковском государственном университете (51, с179).

Эксперименты, прове­денные над сотрудниками лаборатории, и записи биотоков глазных мышц при судорожных подергиваниях, свя­занных обычно с потерей равновесия, подтвердили гипо­тезу о нарушении функций органов равновесия. Люди во всех подобных случаях испытывают одинаковые ощуще­ния: легкую тошноту, ощущение вращения, непроизволь­ное вращение глазных яблок и, наконец, чувство какого-то неудобства. Все эти симптомы указывают на наруше­ние функций органов равновесия при облучении челове­ка инфразвуковыми колебаниями в диапазоне частот 2—10 герц.

Ответные реакции организма изучались при двух ре­жимах работы источника инфразвука: первый — при ча­стоте 6 герц мощностью 142 децибела; второй — при частоте 2 герца мощностью 150 децибел. Анализ запи­сей биотоков показал, что при втором режиме наблюда­лись более существенные нарушения функций органов равновесия. В этом случае люди испытывали острое чув­ство потери равновесия и сильное ощущение тошноты.

Впечатляющие результаты были получены американ­ским ученым Данном. Он заметил, что летчики и кос­монавты, подвергнутые воздействию искусственно созданного инфразвука, медленнее решали простые ариф­метические задачи, нежели обычно. Существует предполо­жение, что различные аномалии в состоянии людей при плохой погоде, объясняемые климатическими условиями, являются на самом деле следствием воздействия инфра­звуковых волн. Много данных говорит о том, что неко­торые животные могут служить надежными биопредвест­никами землетрясений, поскольку зарождение очагов землетрясений сопровождается излучением волн необы­чайной длины, животные их чувствуют раньше, чем раз­разится само землетрясение. Некоторые ученые предпо­лагают, что инфразвук оказывает сильное влияние на психику людей (51, с.181).

При уровне интенсивности инфразвукового излучения 118 децибел и частоте 7 герц, наблюдался пик, связанный с такими явлениями, как головокружение, вялость и потеря равновесия. Исследования нарушений функций внутренних орга­нов человека, подвергающегося воздействию инфразвуковых колебаний позволяют сделать вы­вод о том, что инфразвук потенциально опасен для здо­ровья человека. Он способствует потере чувствительнос­ти органов равновесия тела, а это приводит к появлению боли в ушах, позвоночнике и повреждениям мозга. Веро­ятно, еще более пагубными следует считать психологиче­ские последствия, обусловленные инфразвуком, который постоянно присутствует в атмосфере, хотя внешне она кажется нам совершенно спокойной.

Изучать инфразвук невозможно без устройств, реги­стрирующих инфразвуковые волны. Так как длина вол­ны инфразвука велика (например, при частоте 7 герц она равна 48,5 метра), то обычные микрофоны не регистриру­ют такие колебания. Поэтому для регистрации инфра­звуков разработаны детекторы инфразвука, которые по устройству довольно сложные (51, с.182).

Академик В.М. Кандыба подтверждает, что излучатели инфразвука с частотой, резонансной частоте собственных колебаний внутренних органов человека представляют повышенную опасность. При этом у человека возникают сильные боли, человек может ослепнуть, возможен и летальный исход. А ведь инфразвуковые излучения свободно проникают сквозь толстые стены и на большие расстояния (52, с.103).

ПОЛУЧЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКА. Ультразвуковые преобразователи.

Когда речь идет о колебаниях (механических, электрических, электромагнитных, световых и др.), нужно разделять два основ­ных процесса: излучение колебаний и их прием. Например, ра­диопередатчик через передающую антенну излучает в эфир электромагнитные колебания, а радиоприемник принимает эти колебания. В обоих случаях мы наблюдаем процесс преобразо­вания одного вида энергии в другой. В передающем устройстве электрические колебания преобразуются в электромагнитные, а в приемном — электромагнитные колебания преобразуются в электрические. Аналогично ультразвуковые преобразователи — это устройства, которые преобразуют электрическую энергию в механическую (при излучении ультразвуковых колебаний) и, наоборот, механическую энергию в электрическую (при приеме ультразвуковых колебаний).

Ультразвуковые преобразователи различаются по назначе­нию. Устройства, служащие для излучения ультразвуковых коле­баний, называются ультразвуковыми излучателями.

Приборы, предназначенные для регистрации ультразвуковых колебаний, называются ультразвуковымиприемниками. В зави­симости от формы потребляемой энергии (механической или эле­ктрической) излучатели могут быть разделены на две основные группы: механические и электромеханические (магнитострикционные, пьезоэлектрические, электродинамические).

Механические преобразователи

В настоящее время среди механических преобразователей наиболее широкое применение получили ультразвуковые свистки, жидкостные генераторы, гидродинамические излучатели, газо­струйные излучатели и сирены. Применяются все они для созда­ния ультразвуковых колебаний в жидкостях, воздухе и газооб­разных средах. Механические излучатели работают в широком диапазоне частот (20—200 кгц (55, с.7-8).

Принцип действия ультразвукового генератора почти такой же, как и обычного милицейского, но размеры его значительно больше. Поток воздуха с большой скоростью разбивается об острый край внутренней полости генератора, вызывая колебания с частотой, равной собственной частоте резонатора. Изменяя размеры резонатора, можно изменять частоту колебаний. Умень­шение размеров резонатора приводит к повышению частоты ко­лебаний. При помощи ультразвукового генератора можно созда­вать колебания с частотой до 100 кгц. Мощность такого генератора мала, поэтому для получения больших мощностей применя­ют газоструйные генераторы, у которых скорость истечения воз­духа или газа значительно выше. Струйный генератор прост по устройству, но имеет небольшой к. п. д.

Жидкостные генераторы применяют для излучения ультразву­ка в жидкость. В жидкостных генераторах (рис. 1) в качестве резонансной системы служит двустороннее острие, в котором воз­буждаются изгибные колебания. Струя жидкости, выходя из сопла с большой скоростью, разбивается об острый край пла­стинки, по обе стороны которой возникают завихрения, вызываю­щие изменение давления с большой частотой.

Для работы жидкостного генератора необходимо избыточное давление жидкости 5 кГ/см² (55, с.8).

Рис. 1. Принцип действия жидкостного генератора: /—сопло; 2 —пластинка

Во многих технологических процессах применяется ультра­звуковая сирена с двумя дисками, помещенными в камеру. На каждом диске имеется большое количество отверстий. Поступаю­щий под большим давлением в камеру воздух выходит через отверстия обоих дисков. При вращении внутреннего диска (ро­тора) его отверстия будут совпадать с отверстиями наружного диска (статора) только в определенные моменты времени. В результате вращения возникнут пульсации воздуха. Чем больше скорость вращения ротора, тем больше частота пульсаций. Мощность и к.п.д. сирены значительно выше. Если в поле излучения такой сирены поместить вату, то она воспламенится, а стальные стружки нагреваются докрасна (55, с.9).

Рис. 2. Ультразвуковые механические преобразователи

Электромеханические (электроакустические) преобразовате­ли широко применяются в промышленности и при научных ис­следованиях. Особенности конструкции электромеханических преобразователей позволяют применять их на высоких частотах. Ультразвуковые электромеханические преобразователи более ус­тойчивы в работе, чем механические. По принципу действия электромеханические преобразователи подразделяются на электро­динамические, пьезоэлектрические и магнитострикционные.

Электродинамические преобразователи основаны на принци­пе взаимодействия проводника, по которому проходит перемен­ный ток, с магнитным полем. В настоящее время электродинами­ческие преобразователи применяются редко, поэтому в данной работе они не рассматриваются (55. с.10).

Для изготовления пьезоэлектрических преобразователей из кристаллов кварца вырезают пластинки таким образом, чтобы плоскости их были перпендикулярны одной из трех электриче­ских осей (Х-срез). Такие пластинки при колебаниях излучают продольные волны, хорошо распространяющиеся в твердых те­лах, жидкостях и газах. Пластинки с У-срезом применяются в том случае, когда нужно получить поперечные волны. Пластинки с Z-срезом не обладают пьезоэлектрическим эффектом.

Пьезоэлектрический эффект может быть прямым и обратным. Если к пластинке кварца с двух сторон прикрепить электроды и соединить их проводниками с чувствительным прибором, то при сжатии пластинки возникнет электрический заряд, а при растя­жении заряд будет той же величины, но противоположный по знаку. Следовательно, возникновение зарядов на гранях пластин­ки при механическом воздействии называется прямым пьезоэле­ктрическим эффектом. При этом электрическая поляризация прямо пропорциональна механическому напряжению, знак ко­торой зависит от его направления:

e = dF,

где е — величина электрического заряда;

d — постоянная величина, называемая пьезоэлектрическим модулем;

F — сила, вызывающая механическое напряжение, в дин.

Принцип прямого пьезоэлектрического эффекта используется при изготовлении приемников ультразвуковых колебаний, кото­рые преобразуют механические колебания в электрические, т. е. в переменный ток.

Если к электродам кварцевой пластинки подвести электриче­ский заряд, то ее размеры увеличатся или уменьшатся в зависи­мости от полярности подводимого заряда. Чем больше заряд, тем больше деформация пластинки. При изменении знаков при­ложенного напряжения кварцевая пластинка будет то сжимать­ся, то разжиматься, т. е. она будет колебаться в такт с измене­ниями знаков приложенного напряжения. Изменение размеров лластинки под действием электрических зарядов называется об­ратным пьезоэлектрическим эффектом. Изменение толщины пла­стинки под действием электрических зарядов пропорционально приложенному электрическому напряжению:

At=dU,

где А — изменение толщины пластинки;

d — пьезоэлектрический модуль;

U — приложенное напряжение в абсолютных электростати­ческих единицах.

Принцип обратного пьезоэлектрического эффекта использует­ся при изготовлении излучателей ультразвуковых колебаний, ко­торые преобразуют электрические колебания в механические.

Пьезоэлектрический излучатель и приемник могут быть пред­ставлены в виде одного прибора, который поочередно излучает и принимает ультразвуковые колебания. Такой прибор называют ультразвуковым пьезоэлектрическим преобразователем (55, с.10-11).

Ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи приме­няются в ультразвуковых дефектоскопах, экспресс-анализато­рах, уровнемерах, расходомерах, эхолотах, рыбопоисковых приборах, медицинских и других приборах. Большое будущее при­надлежит пьезоэлектрическим преобразователям при освоении космоса и, в частности, при подготовке к полету человека на другие планеты. Чтобы отправиться в межпланетное путешест­вие, нужно иметь точные данные о метеорной опасности. Эту за­дачу и выполняют пьезоэлектрические преобразователи, реги­стрирующие появление даже микроскопических метеоров.

Кварц долгое время был одним из основных материалов для изготовления ультразвуковых преобразователей. Он очень ус­тойчив к высоким температурам, плавится при 1470°С, а теряет пьезоэлектрические свойства при 570° С. Но кварц не выдержива­ет больших механических нагрузок, он очень хрупок. Поэтому специалисты предложили другой кристалл — сегнетову соль. Ее кристаллы легко выращиваются искусственным путем и легко обрабатываются. Кроме того, сегнетова соль по сравнению с дру­гими пьезокристаллами, в том числе и кварцем, обладает зна­чительно большим пьезоэлектрическим эффектом. Самое ничтож­ное механическое воздействие на пластинку сегнетовой соли при­водит к появлению электрических зарядов. Однако сегнетовой соли свойственны и серьезные недостатки, которые ограничива­ют ее практическое применение. Это, в первую очередь, низкая температура плавления (около 60°С), при которой сегнетова соль теряет пьезоэлектрические свойства и больше не восстанав­ливает их. Сегнетова соль растворяется в воде и, следователь­но, боится влаги.