Электроника?.. Нет ничего проще! - Жан-Поль Эймишен

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.

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.

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?