Механика

Излучатели ультразвука

В 1880 г. французские ученые братья Пьер и Поль Кюри исследовали свойства кристаллов. Они заметили, что, если кристалл кварца сжать с двух сторон, на его гранях, перпендикулярных направлению сжатия, возникают электрические заряды: на одной грани - положительные, на другой - отрицательные. Таким же свойством обладают кристаллы турмалина, сегнетовой соли, даже сахара. Заряды на гранях кристалла возникают и при его растяжении. Но на грани, дававшей при сжатии положительный заряд, при растяжении будет отрицательный, и наоборот.

Такое возникновение электрических зарядов на кристаллах при их сжатии или растяжении было названо пьезоэлектричеством (от греческого слова "пьезо" - давлю). Кристалл с таким свойством называют пъезоэлектриком. В дальнейшем братья Кюри обнаружили, что пьезоэлектрический эффект обратим: если на гранях кристалла создать разноименные электрические заряды, он либо сожмется, либо растянется, в зависимости от того, к какой грани приложен положительный и к какой отрицательный заряд.

Пьезоэлектричество впервые было практически применено лишь в мировой войне 1914-1918 гг. Французский ученый Поль Ланжевен предложил использовать это явление для обнаружения подводных лодок. Винт лодки порождает при своем вращении упругие волны. Они распространяются в воде со скоростью примерно 1500 м/с. Если пьезоэлектрический кристалл, опущенный в воду, окажется на пути ультразвуковой волны, то волна сожмет его грани и на них появятся электрические заряды.

Ланжевен изобрел и излучатель ультразвуковых волн. Пробуя заряжать грани кварцевого кристалла электричеством от генератора переменного тока высокой частоты, он установил, что кристалл совершает при этом колебания с частотой изменения напряжения.

Чтобы увеличить амплитуду колебаний у пластинок кристалла, Ланжевен воспользовался явлением резонанса: если собственная частота колебаний пластинки совпадает с частотой колебаний напряжения на электродах, амплитуда колебаний на пластинке резко возрастает. Пьезоэлектрическими свойствами обладает керамика из титаната бария. У керамических излучателей много преимуществ перед кварцевыми. Им можно придавать любые размеры и форму.

Ультразвук удается получать и другим способом. Еще в 1847 г. английский физик Джеймс Джоуль, изучая магнитные свойства металлов, обнаружил, что железные и никелевые стержни изменяют свои размеры при перемагничивании электрическим током. Когда направление тока в обмотке периодически изменяется, стержень то уменьшается, то увеличивается в такт изменениям в направлении тока. В окружающей среде при этом возбуждаются упругие волны, частота которых определяется колебаниями стержня. Это явление было названо магнитострикцией (от латинского слова "стриктус" -сжатие).