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.