УЛЬТРАЗВУК В ВОЕННОМ ДЕЛЕ

СОДЕРЖАНИЕ

 УЛЬТРАЗВУК В РАДИОЭЛЕКТРОНИКЕ

Книга УЛЬТРАЗВУК В ВОЕННОМ ДЕЛЕБурное развитие радиоэлектроники, и в частности полупроводниковой и вычислительной техники, позволило создать множество замечательных портативных и миниатюрных радиотехнических устройств.

 

Однако изготовление их сопряжено с большими трудностями. Как, например, припаять проволочку в несколько раз тоньше человеческого волоса к крохотному радиоэлементу? Как сделать механические крепления деталей и узлов из полупроводников, керамики, феррита, кварца, абразива и других материалов? Метод вжигания серебра имеет такие недостатки, как высокая трудоемкость и недостаточная механическая прочность. Кроме того, расходуется драгоценный металл. Теперь эти операции выполняет ультразвук. В Советском Союзе и других странах для этой цели созданы ультразвуковые установки с микроманипуляторами и стереомикроскопами.

В радиоэлектронике, в частности в радиолокации, и особенно в вычислительной технике нередко возникает необходимость задержать один электрический сигнал относительно другого.

Ученые нашли удачное решение, предложив ультразвуковые линии задержки. Действие их основано на преобразовании электрических импульсов в импульсы ультразвуковых механических колебаний, скорость распространения которых значительно меньше скорости распространения электромагнитных колебаний.

 

После обратного преобразования механических колебаний в электрические импульс напряжения на выходе линии будет задержан относительно входного импульса на определенное время. Для преобразования электрических колебаний в механические и обратно используют магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи. Соответственно этому ультразвуковые линии задержки подразделяются на магнитострикционные и пьезоэлектрические.

Магнитострикционная линия задержки состоит из следующих элементов: входного и выходного преобразователей, магнитов звукопровода и поглотителей.

Входной преобразователь состоит из катушки, по которой протекает ток входного сигнала, участка звукопровода из магнитострикционного материала, в котором возникают механические колебания ультразвуковой частоты и магнита, создающего постоянное подмагничивание зоны преобразования. Выходной преобразователь по устройству почти не отличается от входного преобразователя.

Звукопровод представляет собой стержень из магнитострикционного материала, в котором возбуждаются ультразвуковые колебания, распространяющиеся со скоростью примерно 5000 м/с. Для задержки импульса, например, на 100 мкс длина звукопровода должна быть около 43 см.

 

Магнит предназначен для создания начальной магнитной индукции и постоянного подмагничивания зоны преобразования.

Поглотители служат для уменьшения уровня паразитных отраженных сигналов. Поглотители располагаются с обоих концов звукопровода.

Принцип действия магнитострикционной линии задержки основан на изменении размеров ферромагнитных материалов под воздействием магнитного поля, т. е. используется уже известный магнитострикционный эффект. Механическое возмущение, вызванное магнитным полем катушки входного преобразователя, передается по звукопроводу и, дойдя до катушки выходного преобразователя, наводит в ней электродвижущую силу.

Основное преимущество магнитострикционной линии задержки состоит в простоте съема импульсов с различными временными задержками. Это достигается установкой на нужных расстояниях нескольких приемных катушек. Кроме того, можно плавно изменять величину задержки сигнала.

Пьезоэлектрические линии задержки устроены следующим образом. На пути электрического сигнала, который нужно задержать, ставят пьезоэлектрический преобразователь (пластинку кварца), жестко соединенный с металлическим или другим стержнем (звукопроводом). Ко второму концу стержня прикрепляют второй пьезоэлектрический преобразователь. Сигнал, подойдя к первому входному преобразователю, вызывает механические колебания ультразвуковой частоты, которые затем распространяются в звукопроводе. Достигнув второго преобразователя, ультразвуковые колебания вновь преобразуются в электрические. Но так как скорость распространения ультразвука в звукопроводе значительно меньше скорости распространения электрического сигнала, сигнал, на пути которого был звукопровод, отстанет от другого на величину, равную разности скорости распространения на определенном участке ультразвука и электромагнитных сигналов.

В качестве звукопровода применяют твердые и жидкие материалы. Из твердых материалов чаще используют магниевые сплавы, а из жидких — ртуть. Применение звукопроводов из магниевого сплава позволяет получить задержку сигнала на 1,7 мкс (на длине 1 см). Ртутный же звукопровод задерживает сигнал на 6— 7 мкс при такой же длине. Для задержки сигнала на такое же время потребовалась бы коаксиальная линия длиной в сотни метров. Иногда для увеличения времени задержки в линиях с твердым звукопроводом прибегают к многократным отражениям в звукопроводе. Еще большие величины задержек можно получить при использовании вместо продольных волн поперечные. При этом размеры линии задержки значительно уменьшаются.

Однако таким путем проблема не решена окончательно. Дело в том, что сигнал после двух преобразований перед звукопроводом и после него ослабевает в тысячи раз. Следовательно, нужны дополнительные усилители, а это экономически не выгодно. Поэтому ученые предложили в ультразвуковых линиях задержки применить для звукопроводов материалы, обладающие пьезоэлектрическими и полупроводниковыми свойствами (кварц, хлористый натрий, рубин, сапфир).

Если к полупроводниковому пьезокристаллу приложить постоянное электрическое поле такой величины, чтобы скорость движения электронов превышала скорость ультразвуковой волны, то амплитуда последней будет возрастать по мере движения волны вдоль стержня. Следовательно, действие таких усилителей основано на преобразовании электромагнитных колебаний в ультразвуковые, усилении ультразвуковых колебаний, проходящих по звукопроводу из полупроводникового материала за счет взаимодействия с движущимися в том же направлении электронами проводимости, и на преобразовании усиленных ультразвуковых колебаний в электромагнитные.

Опыты показали, что при определенной длине стержня акустического усилителя можно получить очень большое усиление ультразвуковых колебаний. Возросший в последнее время интерес к созданию ультразвукового усиления на полупроводниках и пьезокристаллах объясняется тем, что они могут найти в дальнейшем широкое применение в ультразвуковой технике как для непосредственного усиления слабых ультразвуковых сигналов, так и в установках, использующих мощные ультразвуковые колебания.

В Институте радиотехники и электроники Академии наук СССР разработана активная ультразвуковая линия задержки. Принцип действия ее основан на использовании явления усиления ультразвука дрейфом электронов в твердых телах. Усиление возникает в результате взаимодействия электронов с колебаниями решетки и особенно сильно в кристаллах, обладающих пьезоэлектрическими свойствами. Вследствие такого взаимодействия ультразвуковой волне передается энергия потока электронов, когда скорость их дрейфа в кристалле превышает скорость распространения ультразвука.

Большие величины усиления, а также значительная широкополосность позволяют использовать процесс усиления ультразвука в различных радиотехнических устройствах, работающих в диапазоне частот 30—1000 Мгц. Так, например, оказалось возможным создать радиоусилитель, в котором электромагнитные колебания сначала преобразуются в ультразвук, усиливаемый при прохождении через пьезополупроводниковый кристалл, а затем снова в электромагнитные колебания. Это устройство является в какой-то степени аналогом лампы бегущей волны на твердом теле. Одним из недостатков такого радиоусилителя является временная задержка выходного сигнала, связанная со сравнительно малой скоростью распространения ультразвуковых волн. Однако этот недостаток может стать преимуществом при усилении ультразвука для создания активных линий задержки. В этом случае благодаря усилению удается компенсировать потери при двойном преобразовании электромагнитных колебаний в ультразвук и обратно, а также потери, связанные с прохождением ультразвука. Устройство такой активной линии задержки показано на рис. 16.

Активная ультразвуковая линия задержки

Рис. 16. Активная ультразвуковая линия задержки:

1 — преобразователь; 2 — звукопровод; 3 — активный элемент; 4 — преобразователь

Электромагнитные колебания преобразуются электромеханическим преобразователем в ультразвуковые. Возникшая ультразвуковая волна распространяется через звукопровод и активный элемент, в котором происходит ее усиление, а затем — снова, с помощью выходного электромеханического преобразователя, в электромагнитные колебания, но уже задержанные во времени. В качестве электромеханических преобразователей используются различные типы пьезопреобразователей. Активным элементом могут служить некоторые соответствующим образом ориентированные пьезополупроводниковые монокристаллы. Кристалл пьезополупроводника одновременно выполняет роль усилительного и дополнительного задерживающего элемента, а также является поглотителем ультразвуковых волн, отраженных от акустических границ внутри линии задержки. Линия работает на частоте 52 Мгц, время задержки 15 мкс.

Ультразвуковые волны могут распространяться, как обычный звук — в объеме кристалла и в виде поверхностных волн

Один из двух основных типов волн — акустические поверхностные волны открыты в 1885 г. Рэлеем. Применение ультразвуковых волн Рэлея позволило создать новые типы линий задержки: дисперсионные, многоотводные и с плавной регулировкой времени задержки. Ультразвуковая линия задержки на рэлеевских волнах (рис. 17) представляет собой полый алюминиевый цилиндр со спиральной дорожкой на внешней поверхности.

Ультразвуковая линия задержки на рэлеевских волнах

Рис. 17. Ультразвуковая линия задержки на рэлеевских волнах

Внешний диаметр цилиндра 15,2 см, длина 61 см. Ультразвуковые волны излучаются и принимаются плексигласовыми клиновыми преобразователями, при этом излучающий преобразователь закрепляется неподвижно, а приемный перемещается в любое место по спиральной дорожке. Акустический контакт преобразователей с поверхностью цилиндра достигается за счет масляной пленки. С помощью такой линии задержки можно плавно изменять время задержки от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд. Свойства поверхностных волн можно использовать при создании высокочастотных трактов различных радиотехнических устройств. Эти элементы заменят сложные каскады в радиоэлектронной аппаратуре и даже, например, в телевизорах; преимущество их в том, что они надежны и технологичны.

Особый интерес представляют линейные ультразвуковые линии задержки, в которых время задержки линейно зависит от частоты распространяющихся в линии волн Лэмба. Применение таких линий задержки позволяет увеличить дальность действия радиолокационных станций без снижения разрешающей способности. Конструктивно линейная ультразвуковая линия задержки представляет собой полосу из алюминия толщиной 2,2 мм и длиной 142 см. На одном из торцов полосы прикрепляется прямоугольная излучающая пластинка из титаната бария, а на другом — приемная пластинка. Полосовые линии задержки на волнах Лэмба могут быть многоотводными. В качестве приемников при этом используют набор клиновых преобразователей или пластинок гребенчатого профиля, устанавливаемых на различных расстояниях.

На основе физической акустики и электроники твердого тела возникла акустоэлектроника, которая изучает процессы и явления, связанные с возбуждением, распространением и взаимодействием с электронами высокочастотных звуковых волн в твердых телах. В последние годы акустоэлектроника занимает одно из ведущих мест в физике полупроводников и диэлектриков. Ультразвук оказался хорошим «инструментом» в исследовании разнличных твердых тел. Изучение акустоэлектронных явлении обогатило и расширило физические представления о свойствах полупроводников, что открывает большие возможности для создания новых типов твердотельных приборов.

Электроны в полупроводниках, движущиеся со сверхзвуковой скоростью, способны усиливать и генерировать звуковые волны, отдавая свою энергию. Этот принцип можно пояснить, воспользовавшись аналогией с полетом реактивного самолета. Когда скорость его достигнет скорости звука, раздается мощный взрыв. Примерно то же самое происходит, если пропустить через пьезоэлектрический кристалл в одном направлении ультразвуковую волну и электрический ток. Как только электроны преодолевают звуковой барьер, т. е. их скорость становится больше скорости звука, происходит усиление звука током. Усиление может быть очень большим. Один сантиметр длины пьезоэлектрического кристалла позволяет получить усиление в десятки и сотни миллиардов раз.

Это явление можно использовать для усиления не только ультразвука, но и высокочастотных радиосигналов. При этом радиосигнал нужно преобразовать сначала в ультразвуковой сигнал, а затем вновь в радиосигнал. Несмотря на потери мощности при преобразованиях, усиление этим методом превышает возможности усилительных вакуумных ламп.

Следовательно, ультразвук, как и электромагнитные волны, можно обрабатывать радиотехническими способами, генерировать, усиливать, модулировать, выпрямлять, фильтровать и т. д.

Применение ультразвука в радиоэлектронике создает большие перспективы в области связи. В среде, где невозможно использовать радиоволны, например под водой, на помощь приходят усилители ультразвука. Так, на стыке двух наук — ультраакустики и радиоэлектроники возникло новое направление-—ультразвуковая радиотехника.

Применение усиленного ультразвука при исследовании взаимодействия электронов с упругими волнами помогает раскрыть новые, ранее неизвестные свойства материи. Например, при исследовании сульфида кадмия было обнаружено необычное явление — волнообразный перенос тепла в твердом теле. Его можно представить как волнообразное изменение температуры, распространяющееся вдоль кристалла в направлении движения ультразвуковых волн.

Разновидность эффектов, связанных со взаимодействием звуковых волн с электронами, многообразна. Наряду с широким применением рассмотренных явлений представляет интерес возможность считывания оптических изображений с помощью так называемого поперечного акустоэлектрического эффекта. Узкий и короткий звуковой импульс, пробегая строку за строкой по оптическому изображению на фоточувствительной полупроводниковой пленке, преобразует изображение в группу электрических сигналов. В какой-то мере это похоже на принцип действия передающей телевизионной трубки. Преимущество устройств, основанных на поперечном акустоэлектрическом эффекте, заключается в том, что они не требуют вакуума, высокого электрического напряжения. Кроме того, они просты, надежны и имеют небольшие габариты.

Заслуживает внимание и другое явление. Если освещать кристалл сульфида кадмия и одновременно пропускать через него ультразвуковые колебания, то возникающее электрическое поле создает электродвижущую силу вдоль направления распространения волны. Во время экспериментов был получен ток напряжением более 100 В. Это — способ преобразования механической энергии в электрическую. С образца сульфида кадмия длиной 1 см был получен ток мощностью 50 Вт и частотой 500 Гц.

Научно-исследовательскими организациями США разрабатываются акустические усилители высокочастотных сигналов. Ученые предполагают использовать их в качестве усилителей промежуточной и высокой частоты, усилителей с ограничением амплитуды сигнала, а также линий задержки сверхвысокочастотных сигналов без потерь. Действие таких усилителей основано на пьезоэлектрическом преобразовании электромагнитных колебаний в ультразвуковые, усилении ультразвуковых колебаний и на преобразовании усиленных ультразвуковых колебаний в электромагнитные. В качестве преобразователей применяются пластины кварца. Зарубежные специалисты считают возможным использовать для этой цели соединения из элементов III и V групп периодической системы Менделеева (фосфид галлия, арсенид индия, фосфид бора).

В настоящее время ученые уделяют большое внимание совершенствованию вычислительных машин. В своих поисках они попытались заменить отдельные элементы электрической схемы оптическими системами. Результаты превзошли все ожидания. Оптические системы позволяют производить расчеты со скоростью света, т. е. практически мгновенно. Оптические машины превосходят электронные настолько, насколько электронно-вычислительные машины по своим возможностям превосходят человека.

При создании оптических вычислительных машин применяют ультразвук. Из плавленого прямоугольного кварцевого стержня делают входной преобразователь оптической системы, к которому прижаты пьезоэлектрические кристаллы. Эти кристаллы преобразуют изменение электрического тока в механические колебания, которые возбуждают в кварцевом стержне ультразвуковые волны. В такт ультразвуковым колебаниям изменяется способность кварца преломлять свет. Изменение коэффициента преломления фиксируется оптической системой, а на ее выходе (фотопластинке) появляются темные и светлые места. Пластинку с записанным ответом проявляют, но это процесс несложный, к тому же его можно выполнять независимо от дальнейшей работы машины. Таким образом, ультразвук, приняв на себя роль посредника между электрическим током и светом, значительно ускоряет вычисления.

Звуковые и ультразвуковые устройства в комплексе с радиоэлектроникой наряду с многочисленными новинками в области науки и техники находят применение в исследовании космоса. Так, например, на орбитальных станциях «Салют» в панелях, выполняющих роль датчиков, использовался акустический принцип. Удар микрочастиц регистрировался и замерялся по системе звуковых колебаний, а затем по радиоканалу данные передавались на наземные пункты управления.

Ультразвук в радиоэлектронике находит и другое применение. В последних современных моделях телевизоров, например в «Горизонте-115», ультразвук использован для беспроводного дистанционного управления. Небольшой ультразвуковой пульт, умещающийся на ладони, позволяет не только включать и выключать телевизор на расстоянии до 6 м, но и регулировать яркость изображения и громкость звука, а также переключать программу передач. Ультразвуковой дистанционный пульт может применяться и для управления магнитофоном.

* * *

Гидроакустические приборы играют огромную роль не только в обеспечении боевых действий флота, но и в мирное время при отработке задач боевой подготовки. Подводный корабль Жюля Верна «Наутилус» перестал быть фантастическим. В наши дни подводники плавают под водой больше, чем капитан Немо. Советские военные моряки еще в 1963 году на подводной лодке «Ленинский комсомол» прошли подо льдами Северного Ледовитого океана, по показаниям гидроакустических приборов всплыли в районе Северного полюса и установили там флаг нашей Родины. А группа советских подводных атомоходов, находясь полтора месяца на подводной орбите, в 1966 году впервые в истории совершила подводный групповой кругосветный поход, что оказалось возможным благодаря умелым действиям советских моряков, и прежде всего гидроакустиков.

Две трети границ Советского Союза — морские. Моряки Военно-Морского Флота, вдохновленные решениями XXV съезда КПСС, зорко стоят на страже морских рубежей нашей Родины. Непрерывно несут свою почетную и ответственную вахту и моряки-гидроакустики.

В небольшой книге невозможно рассказать подробно о всех областях применения звука, ультразвука, инфразвука, а тем более о конкретных гидроакустических устройствах военного назначения. Поэтому читатель для изучения интересующих его вопросов может воспользоваться литературой, список которой напечатан ниже.