Пьезоэлектрические генераторы ультразвука
Л. – Успокойся, Незнайкин. Пьезоэлектричество – это свойство некоторых кристаллов порождать электрическое напряжение при механическом воздействии на них. С этим явлением ты уже знаком, так как пьезоэлектрические звукосниматели получили широкое распространение. Явление это обратимо, иначе говоря, при приложении электрического напряжения к двум электродам, соответствующим образом расположенным на кристалле, последний деформируется. С помощью кристалла такого типа (например, кварца) и создают ультразвук: на кристалл подают переменное электрическое напряжение ультразвуковой частоты, и кристалл начинает вибрировать с той же частотой.
Н. – Но это же чудесный прибор! Он может служить вместо громкоговорителя. После твоих объяснений я предполагаю, что он должен очень хорошо воспроизводить высокие частоты.
Л. – И даже очень высокие. Однако низкие частоты он воспроизводит очень плохо, так как для получения звуков низкой частоты необходима большая амплитуда, а амплитуда деформации кристалла невелика. Она настолько мала, что производимый ультразвук не удалось бы обнаружить даже специальными приспособлениями, если бы не использовали явление резонанса. Как ты знаешь, кристалл имеет собственную частоту колебаний. На этой‑то частоте и возбуждают кристалл. Тогда амплитуда колебаний становится больше. Чтобы послать ультразвук в жидкость, кристалл погружают в эту жидкость; при надобности послать ультразвук в твердое тело кристалл прижимают к этому предмету, а между ними для обеспечения хорошего контакта наносят тонкий слой жидкого масла.
|
|
|
Н. – Прости мой вопрос, а зачем нужно посылать ультразвук в жидкости или в твердые тела?
Л. – Направленный в жидкость ультразвук обладает свойством превращать вещества в коллоидные суспензии. Он также убивает микроорганизмы, благодаря чему он может использоваться для стерилизации растворов, но этот метод пока еще не получил широкого распространения. Ультразвук позволяет также получить чрезвычайно однородные смеси из компонентов, которые обычно не смешиваются. Если ты, например, направишь пучок ультразвука в сосуд с водой, на дне которого находится ртуть, то увидишь, как ртуть разобьется на мельчайшие капельки, которые смешаются с водой и образуют своеобразную серую суспензию, и пройдет очень много времени, прежде чем ртуть осядет на дно. В твердые тела ультразвук часто направляют с целью обнаружения скрытых дефектов. Для этого в обследуемый предмет направляют узкий пучок ультразвука; встречая дефекты (трещины или раковины), ультразвук отражается обратно, и по наличию таких отраженных сигналов можно без разрушения самого предмета судить о наличии в нем скрытых изъянов. Об этом методе мы поговорим позднее. Кроме того, подобно радиоволнам в воздухе или вакууме ультразвук можно использовать в воде для связи. Ультразвук позволяет также обнаружить препятствия в воде, найти в море косяки рыбы, чтобы знать, где ее ловить.
|
|
|
Н. – А как устроен генератор ультразвука? Ты говорил мне о кристалле, но мне хотелось бы знать, как его используют.
Ультразвуковые излучатели малой мощности
Л. – Существует несколько способов генерирования ультразвука. В генераторах малой мощности используют кварцевую пластину. Одна ее сторона металлизирована, а другая омывается изолирующей жидкостью, например нефтью. С этой стороны на очень небольшом расстоянии от пластины размещен своеобразный поршень, который служит вторым электродом. Такой генератор в разрезанном виде я изобразил для тебя на рис. 109.
Рис. 109. Укрепленная на конце ультразвукового излучателя кварцевая пластинка приходит в колебательное движение и посылает в воду пучок ультразвука. Ультразвук отражается от дна сосуда, и давление излучения образует на поверхности воды небольшой гейзер.
|
|
|
Как ты видишь, поршень находится очень близко от задней поверхности кварцевой пластины, но никогда ее не касается.
Н. – Я достаточно хорошо вижу устройство твоей системы. Но я совсем не понял, почему на поверхности воды, справа от ультразвукового излучателя (если ты позволишь мне так его называть), ты нарисовал небольшой фонтанчик.
Л. – Твой термин «излучатель» совершенно правильный и им часто пользуются. А маленький фонтанчик изображает явление, которое происходит на самом деле, и ты его сам можешь увидеть. Пучок ультразвука выходит из излучателя строго перпендикулярно нижней металлизированной поверхности кристалла. Он доходит до дна сосуда с водой, отражается от него и выходит на поверхность. Когда в воду направляют ультразвук большой энергии, частицы, подвергающиеся его воздействию, отбрасываются назад. Это довольно сложное явление называется давлением излучения . Если идущий снизу пучок ультразвука достигает поверхности, то над поверхностью образуется небольшой гейзер с короной из водяной пыли.
Н. – А что случится, если я суну руку в пучок ультразвука?
Л. – Ты ее немедленно отдернешь. У тебя будет такое впечатление как будто с руки содрали кожу, а затем опустили в серную кислоту. Кроме того, одновременно возникает ощущение ожога. Впрочем, это полезное предупреждение, потому что нельзя допускать, чтобы ультразвук такой мощности действовал на организм человека. Он может разрушить клетки или кровяные тельца.
|
|
|
Н. – Скажи, пожалуйста, я никогда не думал, что ультразвук так опасен. Но я слышал, что ультразвук предлагают использовать для стирки белья. Должен сознаться, что в этом деле я ровным счетом ничего не понимаю, но мне представляется это очень опасным, если не для белья, то для женщин, которые решатся воспользоваться таким способом стирки.
Л. – Успокойся, Незнайкин, в этом случае используется ультразвук небольшой мощности. А кроме того, соответствующее устройство отключит генератор ультразвука, как только прачка снимет крышку, чтобы сунуть руку в бак. Ультразвуковая стиральная машина должна быть достаточно эффективной (в настоящее время ультразвук используют для очистки мелких деталей и получают прекрасные результаты). При стирке белья ультразвук должен помочь составу проникнуть в поры ткани. Впрочем, пока этот способ не получил широкого распространения, но у него открываются несомненно интересные перспективы.
Излучатели большой мощности
Н. – Так, значит, всегда пользуются излучателем такого типа, что ты изобразил на рис. 109?
Л. – Нет, особенно в тех местах, когда нужно получить ультразвуковой пучок большей мощности, приходится пользоваться иными способами. Для мощного генератора требуется более толстая кварцевая пластинка, а этот материал относительно редкий и дорогой. Поэтому нашли очень интересное решение, получившее название «сэндвича Ланжевена».[15] Это устройство представляет собой тонкую кварцевую пластину, зажатую между двумя пластинами из материала, в котором звук распространяется с такой же скоростью, как и в кварце. К счастью, такому требованию отвечает сталь, и мощный генератор делают из двух толстых стальных пластин, разделенных тонкой пластиной кварца. Впрочем, кварцевую пластину можно собрать из нескольких кусков при условии, что все они имеют одинаковую толщину и вырезаны одинаково относительно оси кристалла.
Н. – По совести говоря, этот сталекварцевый сэндвич не очень‑то годится для завтрака!
Л. – Косвенно он служит нам и для завтрака. Дело в том, что эта система используется на кораблях для излучения ультразвуковых импульсов, предназначенных для обнаружения не только подводных лодок, но и косяков рыбы.
Н. – Теперь я хорошо понял, как получают ультразвук с помощью пьезоэлектричества. Но ты мне говорил и о другом способе, носящем не менее заковыристое название.
Л. – Ты хочешь поговорить о магнитострикции. Это относительно простое явление заключается в следующем: у некоторых магнитных материалов под воздействием электрического поля изменяется длина. Если такие материалы поместить в переменное магнитное поле, наложенное на постоянное, и если частота переменного поля соответствует резонансной частоте материала, то мы получим ультразвуковые колебания.
Н. – А зачем ты накладываешь переменное магнитное поле на постоянное?
Л. – Система в известной мере напоминает магнитные громкоговорители. Стержень сжимается как при одном, так и при обратном направлении магнитного поля, но при нулевом поле сжатие почти невозможно обнаружить. Постоянное магнитное поле создает своеобразное магнитное смещение, обеспечивающее эффективность всей системы.
Н. – А какие материалы обладают этим свойством?
Л. – Например, стальные или никелевые листы, но последнее время все чаще используют некоторые ферриты, обладающие таким свойством. Эти материалы позволяют очень экономично получать довольно мощные ультразвуковые пучки в диапазоне частот, только в редких случаях превышающих 50 кгц. Для получения ультразвука более высоких частот лучше подходит кварц.
Н. – А какую форму имеет такой кусок феррита?
Л. – Обычно ему придают форму стержня или замкнутого сердечника, чтобы облегчить циркулирование магнитного потока. Очень важно, чтобы обе конечные плоскости были ровными и строго параллельными. Благодаря этому проходящая по стержню ультразвуковая волна Правильно отражается от его плоскостей и образует колебания типа стоячей волны. Каждый раз, когда эта волна сталкивается с граничной плоскостью, часть энергии вырывается во внешнюю среду, а остальная часть отражается внутрь феррита. Благодаря этой отраженной части энергии и поддерживаются колебания типа стоячей волны.
Фототелеграфия
Н. – Что происходит в ферритовом стержне, я понял. Но скажи, пожалуйста, Любознайкин, нельзя ли попытаться использовать в исполнительном элементе какие‑либо иные явления, кроме ультразвука? Что, если подумать о применении света? Можно ли получить свет какими‑нибудь другими способами, кроме старой доброй лампы накаливания?
Л. – О да, и целое множество! В первую очередь следует сказать об ионных лампах, в которых через газ пропускают поток ионов. Такая система неизмеримо лучше лампы накаливания способна воспроизводить быстрые изменения света. Именно такая лампа используется для передачи фотографий на расстояние по методу, который изобрел Эдуард Белин. В честь этого инженера фототелеграфию во Франции называют белинографией .
Передаваемая фотография укрепляется на равномерно вращающемся цилиндре (рис. 110), строго определенная частота вращения которого задается кварцем. Фотоэлемент Ф просматривает изображение вдоль линии пересечения плоскости, перпендикулярной оси цилиндра с его поверхностью, а точнее по спирали, выписываемой на цилиндре точкой, просматриваемой фотоэлементом, который медленно перемещается параллельно оси цилиндра.
Рис. 110 . При передаче документа по фототелеграфу его укрепляют на цилиндре, который вращается и одновременно медленно перемещается вдоль своей оси перед фотоэлементом; благодаря такому движению цилиндра фотоэлемент точку за точкой просматривает весь документ. На приемной стороне лампы переменной яркости свечения воспроизводят документ на светочувствительной бумаге, двигающейся перед ней точно так же, как передаваемый документ движется перед фотоэлементом.
Н. – Дорогой Любознайкин, ты совершенно напрасно объясняешь так подробно. Этот тип разложения изображения настолько напоминает обычное телевидение, что мне все очевидно.
Л. – Тем лучше. Созданный фотоэлементом сигнал передается по телефонной линии; на приемной стороне после соответствующего усиления сигнал подается в ионную лампу, которая создает более или менее яркое пятнышко света на приемном цилиндре. Этот цилиндр абсолютно идентичен цилиндру на передающем конце, но вместо фотографии на нем укреплена чистая фотобумага, из‑за чего он помещен в темную камеру. Приемный цилиндр вращается с такой же частотой, что и передающий (здесь полагаются на высокую точность и стабильность кварца). С помощью соответствующего синхронизирующего сигнала движение приемного барабана происходит в фазе с движением передающего барабана. Световое пятно перемещается по линии, параллельной оси цилиндра, с такой же частотой, что и фотоэлемент на передающем конце. После завершения приема бумагу с цилиндра проявляют и получают готовую фотографию.
Н. – Но одну штуку я здесь совсем не понимаю. Некогда, рассказывая о телевидении, ты неоднократно подчеркивал, что для передачи изображения необходима гигантская полоса пропускания, измеряемая в мегагерцах. А теперь ты говоришь мне о передаче изображения по телефонной линии. Этого я понять не могу.
Л. – В телевидении каждое изображение (его там называют кадром) передается за 1/25 долю секунды. Передача фотографии по методу Эдуарда Белина продолжается от 7 до 15 мин. Как ты видишь, можно значительно сократить полосу пропускания и поэтому воспользоваться телефонной линией.
Н. – Согласен, но точность воспроизведения получается весьма относительной. Теперь мне понятно, почему телефотографии, которые мы время от времени видим в газетах, отличаются таким плохим качеством.
Л. – Фототелеграф, Незнайкин, здесь ни при чем. Я могу показать тебе одновременно оригинал и копию, полученную с него на расстоянии 600 км, и я не убежден, что даже с лупой тебе удастся найти, которая из них копия. Дело в том, что по фототелеграфу обычно передают сверхсрочную информацию и в типографиях с них очень ускоренным способом изготовляют клише, что и приводит к большим искажениям в газетах.
Н. – Хорошо, теперь я не буду плохо отзываться о телефотографиях. Но скажи мне, Любознайкин, нельзя ли получать свет другим способом?
Лазер
Л. – О, конечно можно. Я расскажу тебе о многообещающем способе; я имею в виду лазер, название которого образовано из первых букв его определения на английском языке (Liqht Amplification by Stimylated Emission of Radiation ).
H. – Я кое‑что слышал об этом приборе, мне даже сказали, что им можно создавать лучи смерти.
Л. – Как я вижу, Незнайкин, ты черпаешь свои знания в падкой на сенсации прессе. Не исключена возможность, что в отдаленном будущем кое‑что из таких сообщений, к сожалению, окажется правдой. На сегодня лазер может дать прекрасно сфокусированный световой луч, который благодаря его острой направленности можно посылать на очень большие расстояния. Лазер несколько напоминает ультразвуковой генератор, о котором мы уже говорили. Основой прибора служит прозрачный стержень из материала типа рубина.
Торцы этого стержня строго параллельны и хорошо отполированы. Эти плоскости отражают внутрь возникающий при определенных обстоятельствах в кристалле свет, а часть его пропускают наружу. Вокруг этого кристалла (рис. 111) располагают очень мощный источник белого света, например лампу‑вспышку, аналогичную той, которой ты пользуешься при фотосъемке. Вспышку света в таких устройствах получают, направляя разряд очень высоковольтного конденсатора большой емкости в лампу с ионизированным газом.
Рис. 111. В лазере на твердом теле лампа‑вспышка спиральной формы размещается вокруг кристалла; излучаемый ею свет возбуждает атомы кристалла. Отдавая полученную энергию, эти атомы порождают луч света, для которого кристалл со своими плоскими и параллельными торцами служит оптическим резонатором
Н. – Так из кристалла вырывается свет лампы‑вспышки! Но тогда в твоем лазере нет ничего нового.
Л. – Ты ошибаешься. Световая энергия порождается кристаллом. Энергия лампы‑вспышки, поданная кристаллу в виде света, называется энергией накачки и вызывает внутри этого кристалла активацию некоторых атомов, иначе говоря, переводит их на более высокий энергетический уровень. Затем эти атомы отдают свою энергию и переходят на более низкий энергетический уровень. Эта выделившаяся энергия и излучается в виде света. Кристалл со своими полированными и строго параллельными торцами представляет собой высоко добротный резонатор. Возникший таким образом свет излучается через один из торцов в виде пуска строго параллельных лучей.
Н. – А по своей мощности излучаемый кристаллом свет равен мощности лампы‑вспышки?
Л. – Намного меньше, но лазер обладает одним очень ценным качеством: он дает так называемый когерентный свет. В отличие от света, излучаемого накаленными телами или ионизированными газами, этот свет состоит из одного пакета волн, создающего колебания в течение значительного отрезка времени. При других способах получения света световая энергия излучается в виде большого количества очень коротких по времени колебаний, каждое из которых представляет собой очень короткий пакет волн (несколько сантиметров, что, учитывая скорость света, соответствует очень короткому интервалу времени) без какого бы то ни было согласования фазы.
В отличие от этого испускаемый лазером свет по своей структуре аналогичен электромагнитной волне, излучаемой антенной. Существуют также газовые лазеры, в которых специальным образом подобранный газ помещается в более или менее длинную трубу с полупрозрачными строго ровными и параллельными торцевыми плоскостями. Этот газ возбуждается небольшим электрическим разрядом наподобие люминесцентных ионных ламп. Но в отличие от них лазер излучает когерентный свет. Строго параллельный лазерный луч света можно сконцентрировать линзой настолько, что полученная энергия в пересчете на 1 см2 окажется огромной. Сконцентрированный таким образом лазерный луч почти мгновенно пробивает тонкую стальную пластинку. Именно этот эксперимент породил идею создания разрушительного лазерного оружия, которое, к счастью, до сих пор осталось проектом, но которое, к сожалению, когда‑нибудь может стать ужасной реальностью.
Применения лазера
Н. – Этот лазер представляется мне очень скверным инструментом. Какой интерес он может представлять для нас?
Л. – Он интересен тем, что может излучать модулированный свет и с большой точностью посылать этот свет на сверхбольшие расстояния. С помощью такого инструмента удалось осветить заданную точку на Луне и при этом, несмотря на путь в 380 000 км, не произошло значительного рассеяния световых лучей.
Н. – Прибор становится интересным. А разве нельзя таким же образом сконцентрировать радиоволны?
Л. – В принципе можно, но на практике осуществить неизмеримо труднее. Не забывай, Незнайкин, что возможность сконцентрировать излучение в узком пучке зависит от соотношения размеров концентрирующего устройства и длины волны концентрируемого излучения. Иначе говоря, лазер, излучающий свет с длиной волны 0,7 мкм, позволяет получить при кристалле диаметром 5 мм такую концентрацию, для достижения которой при излучении с длиной волны 10 см потребовался бы рефлектор диаметром 700 м. Кроме того, световое излучение имеет чрезвычайно высокую частоту и может модулироваться значительной полосой частот. Один лазерный луч способен одновременно передать сотни тысяч телевизионных программ или несколько миллиардов телефонных разговоров, этого более чем достаточно для одновременного установления связи между всем населением нашей планеты… А теперь мы поговорим о исполнительных элементах, дающих нам на выходе нематериальные величины.
Н. – Вот это да, Любознайкин! Так ты свободно плаваешь на вершинах высших сфер философии!
Электронно‑лучевые трубки
Л. – Незнайкин, для начала мне очень хотелось, чтобы ты дал мне определение вершины сферы. Затем, если уж плавать, то я предпочел бы ровную поверхность воды. Но успокойся, когда я говорю о нематериальном исполнительном элементе, я имею в виду такой элемент, в котором ничто материальное не движется (свет в известной мере подходит под этот случай).[16] В настоящую минуту я всего лишь имею в виду осциллографическую электронно‑лучевую трубку, в которой исполнительное устройство (им в этом случае служит электрическое поле, создаваемое выходным напряжением осциллографа) воздействует только на электроны.
Н. – Да, но электроны вполне материальны!
Л. – Ты так считаешь? Вот тебе ведро, ступай набери электронов!
Н. – Я хотел сказать, что они составная часть материи. Что же ты собираешься делать с этими электронами?
Л. – Я возьму специальную трубку и так сконцентрирую вылетающие с катода электроны, чтобы они в виде узкого пучка попадали точно в заданное место днища колбы, покрытого, как ты знаешь, слоем флюоресцирующего состава, который светится при попадании на него электронов. Созданное таким образом световое пятно мы можем перемещать в любую сторону с помощью электрических полей, создаваемых внутри трубки отклоняющими пластинами.
Н. – Послушай, Любознайкин, я очень хорошо знаю эту систему и не думаю, что здесь ты можешь рассказать мне что‑нибудь новое.
Л. – Стоит тебе немного познакомиться с каким‑либо вопросом, как у тебя немедленно складывается впечатление, что ты уже досконально изучил всю проблему. А ведь об электронном осциллографе можно так много рассказать. Но для начала я позволю себе спросить тебя, как бы ты стал делать осциллограф на одних транзисторах (разумеется, за исключением самой электронно‑лучевой трубки)?
Н. – О! В этом случае нужно взять хорошие транзисторы, выдерживающие достаточно высокие напряжения, и собрать усилители и генераторы развертки по более или менее обычным схемам.
Высокочувствительные трубки
Л. – Согласен. Но признайся, что твои транзисторы с трудом выдержат на коллекторах напряжение более 40 или 50 в, особенно при необходимости отдать некоторую мощность, а именно такие условия складываются, когда необходимо получить значительную полосу пропускания. При использовании обычной электронно‑лучевой трубки с чувствительностью к отклонению 0,3 мм!в выходное напряжение такого усилителя может сместить световое пятно не более чем на 20 мм. Воспользовавшись симметричной схемой, можно увеличить максимальное отклонение луча вдвое, но я не рекомендую тебе заставлять транзисторы работать при напряжении 60 в. Лучше всего остановиться на обычном для транзисторов напряжении, а именно на 20 в, но в этом случае тебе придется в лупу следить за перемещением твоего светлого пятна по экрану.
Н. – Я признал бы положение безвыходным, если бы не привык видеть, как ты решаешь, казалось бы, неразрешимые проблемы. И поэтому я жду чуда.
Л. – Благодарю тебя за доверие. Но здесь дело не в чуде, а в значительном техническом прогрессе электронно‑лучевых трубок. Конструкторам удалось после отклонения электронного луча многократно ускорить электроны луча электрическим полем, создаваемым напоминающим спираль анодом, нанесенным на внутренней поверхности раструба колбы (рис. 112).
Рис 112. В электронно‑лучевой трубке с послеускорением вылетевшие из пушки и направленные отклоняющими пластинами электроны затем многократно ускоряются электрическим полем, создаваемым в трубке послеускоряющим высоким напряжением, приложенным к спиральному графитовому электроду.
Это наряду с усовершенствованием конструкции отклоняющих электродов позволило повысить чувствительность электронного луча к отклонению до 5 мм/в и даже больше. В этих условиях, используя транзисторы при нормальном для них напряжении питания, можно очень легко заставить луч перемещаться по всему экрану трубки.
Н. – Как досадно, что этих трубок не было раньше! Они оказались бы очень практичными для усилителей на лампах с подогревными катодами. Но один вопрос меня серьезно беспокоит: скажи, пожалуйста, какую полосу пропускания способны обеспечить эти осциллографы на транзисторах?
Дата добавления: 2019-02-12; просмотров: 185; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!