СОДЕРЖАНИЕ

КАК ПОЛУЧИТЬ УЛЬТРАЗВУК

С незапамятных времен известны электрические свойства некоторых веществ. Например, на Цейлоне и в древней Индии знали, что турмалин и другие кристаллы при трении начинают притягивать к себе легкие предметы.

Греки за несколько веков до нашей эры открыли эту таинственную силу и у янтаря. Этому камню электричество обязано своим названием («янтарь» в переводе с греческого означает «электрон»).

До XVIII века учение об электричестве почти не развивалось, известен был лишь ряд несистематизированных фактов и существовали противоречивые гипотезы. Лишь с конца XVIII века некоторые из электрических свойств определенных материалов получили должную оценку и были сделаны важнейшие открытия.

Так, в 1880 году французские ученые братья Пьер и Жак Кюри открыли и изучили явление пьезоэлектричества — возникновение электрических зарядов на гранях некоторых кристаллов при сжимании и растяжении их в определенном направлении.

Впервые пьезоэлектрические свойства были обнаружены у горного хрусталя — одной из разновидностей кварца. Горный хрусталь представляет собой прозрачные бесцветные, похожие на лед кристаллы. Советский минералог А. Е. Ферсман в книге «Занимательная минералогия» писал: «Возьмите в руку обломок горного хрусталя и такой же кусочек стекла — оба похожи и по своему цвету, и по прозрачности. Если их сломать, у них будут одинаково острые, режущие края и форма излома. Но будет и различие: горный хрусталь долгое время останется холодным в вашей руке, стекло очень скоро сделается теплым... Знали ли это свойство древние греки или нет — неизвестно, но во всяком случае это они дали нашему камню название «хрусталь» от греческого наименования «лед», так как действительно горный хрусталь очень похож на лед...»

Помимо горного хрусталя встречается почти двести разновидностей кварца. Это и золотисто-желтый цитрин, кроваво-красный сердолик, красновато-коричневый с золотым отливом авантюрин, фиолетовый аметист и многие другие. Почти десятую часть земной коры составляют различные виды кварца. Даже обыкновенный песок состоит главным образом из зерен кварца.

Кварц широко применяется в науке и технике. Он пропускает ультрафиолетовые лучи, тверд и тугоплавок. Посуду из кварцевого стекла можно раскалить докрасна и сразу погрузить в ледяную воду. Он устойчив почти ко всем кислотам и плохо проводит электрический ток. Но самым замечательным его свойством считается гак называемое пьезоэлектрическое свойство. Сущность его заключается в следующем. Если пластинку, определенным образом вырезанную из кристалла кварца, сжимать и разжимать, то на ее гранях будут возникать электрические заряды с противоположными знаками. Чем сильнее сжатие, тем больше заряд. Возникновение электрических зарядов на гранях кварцевой пластинки при ее деформации получило название прямого пьезоэлектрического эффекта.

Если же к такой кварцевой пластинке подвести электрический заряд, она изменит свои размеры. Чем больше заряд, тем сильнее деформируется пластинка. При действии на пластинку переменного электрического поля она сжимается или разжимается в такт изменению знаков приложенного напряжения. Если последнее изменяется с ультразвуковой частотой, то и пластинка колеблется также с ультразвуковой частотой. А если приложенное переменное электрическое напряжение изменяется с частотой, равной собственной механической частоте колебаний кристалла, пластинка совершает интенсивные механические колебания (резонанс), на чем и основано применение кварца для получения ультразвуковых волн. Изменение размеров кварцевой пластинки под действием электрических зарядов называется обратным пьезоэлектрическим эффектом.

Процесс возникновения пьезоэлектрического эффекта можно проследить при рассмотрении модели структурной ячейки кварца (рис. 4, а). При действии внешней силы в направлении электрической оси X ячейка приобретает вид, изображенный на рис. 3,6. Вследствие этого на одной поверхности возникает положительный

Рис. 4. Пьезоэлектрический эффект: а — нейтральное состояние ячейки; б — прямой пьезоэлектрический эффект; в — обратный пьезоэлектрический эффект

заряд, на другой — отрицательный, т. е. имеет место прямой пьезоэлектрический эффект. Пользуясь моделью структурной ячейки, можно объяснить обратный пьезоэлектрический эффект. При подведении противоположных по знаку электрических зарядов наблюдается растяжение (сжатие) ячейки (рис. 4,в).

Прямой пьезоэлектрический эффект используют в приемниках ультразвуковых колебаний, где последние преобразуются в переменный ток. Но если к такому приемнику приложить переменное напряжение, в полной мере обнаруживается и обратный пьезоэффект. В этом случае переменный ток преобразуется в ультразвуковые колебания, и приемник работает как ультразвуковой излучатель. Следовательно, пьезоэлектрический приемник и излучатель могут быть представлены в виде одного прибора, которым можно поочередно излучать и принимать ультразвуковые колебания. Такой прибор называют ультразвуковым (акустическим) преобразователем.

Пьезоэлектрические приемники и излучатели с успехом используются в различного рода электроакустических системах, в частности в системах, предназначенных для акустических и гидроакустических измерений и исследований. Пьезоэлектрические приборы широко применяются и при исследовании космического пространства. Ныне их представляют некоторые датчики, передающие данные о состоянии космонавта, об условиях внутри космического корабля, предупреждающие о метеоритной опасности и т.п. Большое будущее принадлежит этим приборам при дальнейшем освоении космоса, в частности при подготовке к полету человека на другие планеты.

Без пьезоэлектрических приборов нельзя было бы «ощупать» детали самолетов, выявить ошибки в их расчетах и предотвратить опасные последствия этих ошибок: нельзя было бы «заглянуть» в ствол стреляющего орудия, чтобы измерить давление или получить другие данные. Пьезоэлектричество используется в радиотехнике и телевидении. Пьезоэлектрические приборы помогают находить косяки рыб, исследовать земные недра при поисках полезных ископаемых, ставить диагнозы и лечить людей, анализировать и ускорять химические процессы и т.д.

Долгое время кварц был одним из основных материалов, применяемых для изготовления ультразвуковых преобразователей. Кварц очень устойчив к высоким температурам: плавится при 1470°, теряет пьезоэлектрические свойства при 570°. Но из-за хрупкости он не выдерживает больших механических нагрузок. Излучатель, сделанный из маленькой кварцевой пластинки, имеет небольшую мощность. Чтобы повысить ее, увеличивают площадь излучающей поверхности путем составления пластинок кварца в виде своеобразной мозаики. В природе кристаллы кварца встречаются в основном сравнительно небольших размеров, хотя и бывают исключения. В Восточных Альпах геологи в одном «гнезде» нашли шесть кристаллов горного хрусталя общим весом свыше полутора тонн. Еще более уникальную находку обнаружили уральские геологи, которые открыли месторождение хрусталя с целым семейством кристаллов-великанов. Сначала из породы извлекли кристалл весом 800 кг. Последующий упорный поиск принес совершенно ошеломляющие результаты — было найдено «созвездие» из двадцати прозрачных чистых кристаллов. Их общий вес превысил 9 т.

Как бы значительны ни были такие находки, они не могут удовлетворить все возрастающие потребности науки и техники в кристаллах кварца. Поэтому их пытаются выращивать искусственно в лабораториях, но, к сожалению, они растут медленно и производство их дорогостоящее.

В поисках других пьезоэлектрических материалов ученые обратили внимание на сегнетову соль. Впервые ее получил из солей винной кислоты французский аптекарь Сегнет.

Сегнетова соль легко обрабатывается, кристалл сегнетовой соли можно разрезать обыкновенной ниткой, смоченной водой. По сравнению с другими пьезокристаллами, в том числе и по сравнению с кварцем, кристалл сегнетовой соли обладает значительно большим пьезоэлектрическим эффектом, самое ничтожное механическое воздействие на пластинку приводит к появлению электрических зарядов.

Однако у сегнетовой соли есть и серьезные недостатки, которые ограничивают ее практическое применение. Это, в первую очередь, низкая температура плавления — около 60°, при которой кристалл сегнетовой соли теряет пьезоэлектрические свойства, и они уже больше не восстанавливаются. Сегнетова соль растворяется в воде и, следовательно, боится влаги. Кроме того, она непрочна и не выдерживает больших механических нагрузок.

Научные исследования по изысканию новых пьезоэлектрических материалов особенно настойчиво проводились во время Второй мировой войны. Они были вызваны кварцевым «голодом», возникшим вследствие широкого использования пьезокварца в гидроакустических приборах и в военной радиоэлектронике. Так, для изготовления пьезоэлектрических преобразователей в то время применялись кристаллы дигидрофосфата аммония. Этот материал стабилен по частоте, позволяет работать с большими мощностями и в широком диапазоне частот. Долгое время применялись и другие пьезоэлектрические материалы, такие, как фосфат аммония, сульфат лития и дигидрофосфат калия. В гидроакустических преобразователях их использовали в виде мозаичных пакетов. Однако всем этим пьезокристаллам присущ общий недостаток—малая механическая прочность.

Поэтому ученые настойчиво искали заменитель, который был бы близок к ним по пьезоэлектрическим свойствам и не имел бы вышеуказанного недостатка. И такой заменитель был найден советскими учеными, работавшими под руководством члена-корреспондента Академии наук СССР Б. М. Вула. Это был титанат бария, который не является кристаллом, как кварц и сегнетова соль, и сам по себе не обладает пьезоэлектрическими свойствами. Получают его искусственным путем, так как в недрах земли он встречается очень редко. Для этого смесь двух минеральных веществ — углекислого бария и двуокиси титаната — обжигают при очень высокой температуре. Получается желтовато-белая масса, которая по своему виду и механическим свойствам напоминает обыкновенную глину. Этой массе, как и глине, можно придать любую форму, но она будет механически прочной и не растворимой в воде. А для того чтобы титанату бария придать пьезоэлектрические свойства, обожженную массу помещают в сильное электрическое поле, затем охлаждают. В результате происходит поляризация кристалликов." титаната бария, их диполи занимают одинаковое положение, а после охлаждения фиксируются (как бы «замораживаются») в этом состоянии.

Диполь — совокупность двух разноименных, но равных по абсолютной величине электрических зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга.

Пьезоэлектрический эффект у полученного материала в 50 раз больше, чем у кварца, а стоимость его невысокая, так как для изготовления имеется очень большое количество сырья. Недостатком титаната бария являются большие механические и диэлектрические потери, что приводит к его перегреву, а при температуре более 90° С значительно снижается пьезоэлектрический эффект.

Керамике из титаната бария можно придать практически любую форму (плоская пластина, цилиндр, полусфера, часть сферы и т.д.), а следовательно, такие преобразователи могут излучать упругие колебания с одинаковой эффективностью в любом направлении. Керамику из титаната бария можно резать, шлифовать, полировать, придавая преобразователю необходимые форму и размеры.

У преобразователей из титаната бария высокий процент превращения электрической энергии в механическую, большая стойкость к электрическому пробою, они могут работать при малых напряжениях. Кроме того, ультразвуковые преобразователи из титаната бария способны работать в импульсном режиме.

Для изготовления пьезоэлектрических преобразователей используют и другую пьезокерамику: цирконий — титанат свинца (ЦТС), у которой пьезоэффект вдвое больше, чем у титаната бария. Пьезокерамика ЦТС не растворима в воде, и ее также можно обрабатывать механическим способом.

Но вернемся к кристаллам. Ученые серьезно заинтересовались сернистым кадмием. Помимо того что он обладает исключительной способностью усиливать ультразвуковые колебания, на его основе можно изготовить ультразвуковой преобразователь для очень высоких частот, совершенно не доступных кварцу и титанату бария. Исследователи предполагают, что кристалл сернистого кадмия окажется рекордсменом по количеству возможных применений. Он не только может служить усилителем и преобразователем ультразвука, но и может быть использован наряду с германием и кремнием как обычный полупроводник. Кроме того, сернистый кадмий — отличное фотосопротивление.

Пьезоэлектрический преобразователь представляет собой один или несколько соединенных определенным образом отдельных пьезоэлементов с плоской или сферической поверхностью, приклеенных на общую металлическую пластину.

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 интенсивность излучения в центре фокального пятна у сферических преобразователей в 100—150 раз превышает среднюю интенсивность на излучающей поверхности преобразователя.