Полезно знать Звук История происхождения пьезо и её роль в ультразвуке

История происхождения пьезо и её роль в ультразвуке

Законы Ньютона, формулы Остроградского, лучи Рентгена ... Как правило, еще при жизни ученых их изобретения, законы и формулы находят широкое применение в науке и технике. Но бывает, что «освоение» того или иного открытия задерживается на десятки, а то и сотни лет. Так произошло, в частности, с сегнетовой солью.


В конце XVII века аптекарь Пьер Cегнето из небольшого французского городка Ля-Рошель, смешав растворы нескольких химических веществ, получил прозрачные кристаллы, которые жадно всасывали воду, то есть были гигроскопическими. Они имели лечебные свойства и быстро завоевали популярность среди горожан. Странную рошельськую (сегнетову) соль стали изготавливать как лекарство по всей Европе.

Откуда мог знать Пьер Сегнето, что через два с половиной века его имя не будет сходить со страниц солидных научных изданий. над изучением действительно странных свойств его соли работали тысячи ученых, что его именем назовут целый класс химических веществ, а из кристаллов его сегнетовой соли изготовлять микрофоны, телефоны, громкоговорители и звукосниматели? Знать! этого он, конечно, не мог, и спокойно готовил новые и новые порции лекарства.

Вот в конце 1880 года французские ученые братья Пьер и Жак Кюри случайно наткнулись на интересное явление. Исследуя свойства природных кристаллов кварца, они заметили, что при сжатии на их гранях возникают электрические заряды - на одной грани положительные, а на второй - отрицательные, причем одинаковой величины. Это явление назвали пьезоэффект, от греческого слова «пьезо», что в переводе означает «давлю».

В опытах Кюри брали кварцевую пластинку размерами 25X25X1мм. На нее клали груз массой 1кг. Под действием этой нагрузки толщина пластинки уменьшалась лишь на две миллионные доли миллиметра, что составляет около 5 / 10 000 длины волны видимого света! Однако и такой чрезвычайно малой деформации было достаточно, чтобы на пластинке возникла разность потенциалов в один вольта (рис. 1).

 

 

Опыты Кюри с кварцитовыми пластинками

Рис.1. Опыты Кюри с кварцитовыми пластинками.

Несколько позже установили, что пьезоэффект - обратный, а это значит, что не только можно создать электрические заряды путем механических деформаций, но и, наоборот, под воздействием электрического поля можно вызвать механические деформации. Чтобы получить уменьшение толщины кварцевой пластины на 2 * 10-6мм, необходимо подать на нее напряжение 100 В. Обратите внимание, не 1В, а на 100В. Проявляется лишь часть энергии электрического поля, может быть превращена в механическое движение. Для кварца эта часть составляет одну сотую.

Пьезоэлектрические свойства вскоре были обнаружены во многих веществ. Они есть, в частности, турмалин, цинковая обманка, хлорат натрия, даже сахар и, наконец, знакомая наша - сегнетова соль. Все эти вещества получили название пьезоэлектриков.

Сегнетова соль оказалась рекордсменом среди природных пьезоэлектриков по эффективности преобразования энергии. В этом веществе из электрической в механическую или наоборот может преобразовывать почти половина энергии! ..

В начале XX века удалось установить, что в переменном электрическом поле высокой частоты кварцевые пластины способны резонировать, причем при резонансе амплитуда колебаний может в несколько тысяч раз превышать величину деформации, возникающей под действием статической силы. Кварцевая пластинка под действием переменного напряжения в 100В имеет амплитуду колебаний, что составляет половину длины волны видимого света, то есть в 1000 раз больше, чем в статическом поле.

Способность пьезоэлектрических кристаллов колебаться в переменном электрическом поле уже в начале нашего века стали использовать для излучения ультразвуковых волн. Ультра звук «заработал» в приборах, с помощью которых выявляли подводные скалы, айсберги и другие, опасные для судоходства препятствия. Поводом к такой «специализации» послужила катастрофа океанского лайнера «Титаник», погибшего 1912 года в Северной Атлантике, наскочив на подводную часть огромного айсберга. Ученые искали способы предотвращения подобных трагедий в будущем. И вот один из таких способов, а именно ультразвуковую локацию, создал французский ученый Поль Ланжевен. Он сконструировал на базе кварцевых пластин специальный излучатель ультразвуковых волн.

Первым практически пригодным звуколокатором, выражавший подводные препятствия на расстоянии до двух миль и неплохо работал прибор американца Фессендена, созданный в апреле 1914 года. Однако совершенно точно определять местонахождение препятствий он еще не мог. Как только началась первая мировая война, немецкие подводные лодки блокировали морскую связь между США и Антантой и потопили немало транспортных кораблей союзников. Американцы были серьезно обеспокоены действиями немецкого подводного флота. Поэтому в начале 1915 года секретарь морского ведомства США Джозеф Даниельс обратился к известному изобретателю Томасу Алвы Эдисона с просьбой сформировать техническую группу «для изобретений и технических поисков». Эдисон создал такую группу из 24 ученых и инженеров, которая стала основой морской исследовательской лаборатории.

Средства борьбы с подводными лодками искали в разных науках - среди магнитных, электромагнитных, оптических и теплых явлений. Однако самым эффективным оказался подводный звук. Военная обстановка требовала немедленных действий. Во многих научных центрах стран Антанты были созданы противолодочные группы. В них работали выдающиеся физики того времени. 1 июня 1917 в одном из университетов США состоялась научная конференция, в которой также приняли участие ученые Франции и Англии. На этой конференции Эрнест Резерфорд рассказал о созданном с его участием подслушиватиле шума гребных винтов. Ученые Фабри и Абрахам доложили о работе в этом направлении профессору Ланжевена во Франции.

 

Вибратор Ланжевена

Рис. 2. Вибратор Ланжевена.

Первые ультразвуковые гидролокаторы были испытаны Ланжевеном близ французского города Тулона в 1918 году. Они уверенно находили в заливе подводную лодку на расстоянии до 5миль. Основой этих гидролокаторов стал электромеханический преобразователь (рис. 2), состоящий из стальных пластинок 1, 3, между которыми была мозаика с кварцевых пластинок 2 (стрелками указаны так называемые пьезоэлектрические оси кристаллов, то есть направления, вдоль которых проявлялся наибольший пьезоэффект). Стальные пластинки были элементами крепления и одновременно служили электродами, к которым водились электрические сигналы в режиме передачи и из каких снимались электрические сигналы в режиме приема. Ультразвуковой локатор работает подобно радиолокатора. Он посылает время от времени мощные ультразвуковые импульсы в определенном направлении. Акустические волны со скоростью около 1500м/с, распространяясь в морской воде. Когда эти волны достигают подводного препятствия, например корпуса подлодки, они отражаются и возвращаются обратно к вибратору. Вибратор превращает акустические колебания на электрические, которые усиливаются и поступают на регистрирующее устройство. Зная время прошедшее с момента посылая импульса до его возвращения, нетрудно определить расстояние до цели. Посылая те же сигналы вниз, можно измерить глубину моря кораблем.

Вибратор Ланжевена длительное время использовался в различных эхолокаторах, пока на смену ему пришли более совершенные конструкции на базе пьезокерамики. В середине тридцатых годов кварц был заменен кристаллами сегнетовой соли, что значительно увеличило чувствительность приборов. Современные эхолокаторы способны обнаруживать различные подводные препятствия (в том числе и лодки) на расстояниях до нескольких десятков километров.

звуковое оборудование в аренду

Интересная статья? Поделись ей с другими:

Форма обратной связи

...