"Радио Всем", №10, апрель, 1930 год, стр. 241-242

УЛЬТРА-ЗВУКОВЫЕ КОЛЕБАНИЯ.

За последние годы в радиотехнике широко распространился метод стабилизации (поддержания постоянства) частоты колебаний передатчика при помощи пьезокварца. Как известно, если поместить плоскую пластинку, вырезанную из кристалла кварца, между двумя металлическими обкладками, соединенными с каким-либо источником электрического напряжения, то она будет сжиматься или расширяться в зависимости от знака приложенного напряжения. При наложении на пластинку переменного напряжения возникают попеременные сжатия и расширения пластинки, т. е. она приходит в механические колебания, частота которых соответствует частоте приложенного напряжения. Достаточно сильными эти колебания делаются только при совпадении частоты электрических колебаний с собственной частотой механических колебаний пластинки, которая определяется ее размерами. Если включить пластинку К в сеточную цепь лампы (рис. 1), в анодной цепи которой имеется колебательный контур (L₀С), настроенный на частоту, близкую к частоте собственных колебаний пластинки, и начать медленно изменять период контура, вращая конденсатор С, то в момент резонанса, т. е. совпадения частот пластинки и контура, который легко определить по резкому спаданию тока в анодной цепи, частота колебаний контура делается чрезвычайно постоянной, так что не только случайные колебания напряжения, но даже изменение его на десятки процентов, а также незначительные изменения емкости контура, изменят ее только на тысячные доли процента, так как кварц сохраняет неизменной частоту собственных механических колебаний и вместе с тем поддерживает постоянной частоту электрических колебаний в контуре.

Рис. 1

Радиотехника пользуется как этой схемой, так и рядом ее видоизменений для многих практических приложений.

Интенсивность колебаний пластинки в случае резонанса, увеличивающаяся с возрастанием приложенного напряжения, уже при сотнях вольт настолько велика, что легкий порошок, насыпанный на пластинку, сбрасывается с нее, поднимаясь фонтаном на высоту нескольких сантиметров.

Энергия колебания кварца передается окружающему воздуху и приводит его в продольные колебания, отличающиеся от обычных звуковых колебаний только более высокой частотой (наибольшая частота звуковых, т. е. воспринимаемых ухом, колебаний равна 20 000, между тем как колебания кварца происходят с частотой в сотни тысяч колебаний в секунду), благодаря чему они получили название ультразвуковых колебаний.

Однако для хорошей передачи энергии колебаний от одной среды к другой необходимо, чтобы обе среды обладали одинаковой «акустической плотностью», равной произведению плотности среды на скорость распространения звука в ней. Акустическая плотность воздуха значительно меньше плотности кварца, а потому условия передачи энергии оказываются неблагоприятными, и колебания воздуха получаются довольно слабыми.

Если же поместить кварц в жидкость, обладающую бо́льшей акустической плотностью, то можно привести эту жидкость в очень интенсивные колебания, имеющие целый ряд замечательных свойств.

Подбирая соответственным образом размеры кварцевой пластинки и ее обкладок и применяя высокое напряжение с частотой 40 000 колебаний в секунду, французскому физику Ланжевену удалось получить направленный пучок ультразвуковых волн, который мог распространяться в морской воде на много километров.

Попадая на вторую кварцевую пластинку, имеющую ту же собственную частоту, эти колебания заставляли ее сжиматься и расширяться, благодаря чему на ее поверхности возникали переменные электрические заряды, отмечаемые специальной аппаратурой. Таким образом удалось осуществить подводную сигнализацию, которая не может быть получена обычными методами радиотехники, так как электромагнитные волны очень сильно поглощаются в воде.

Аналогичное устройство применяется для определения глубины океана (эхолот): на корабле имеются ультразвуковой кварцевый передатчик и приемник с одинаковой частотой. Направленный пучок ультразвуковых волн посылается в глубь океана, отражается от дна, возвращается обратно и записывается приемником; при этом отмечается время Т, в течение которого пучок успел пройти этот путь. Так как скорость распространения звуковых колебаний в воде известна (около 1 500 м/сек.), то легко определить глубину океана в данном месте.

Американский физик Вуд пользовался для получения ультразвуковых колебаний мощным генератором (1 клв), индуктивно связанным с катушкой, замкнутой на обкладки кварцевой пластинки, погруженной в сосуд с маслом. Напряжение, подводимое к кварцу, достигало 50 000 вольт.

Частота ультразвуковых колебаний составляла несколько сот тысяч. При этом колебания в масле были настолько сильны, что поверхность масла вспучивалась на высоту нескольких см, и из нее вылетали отдельные капли (рис. 2). При погружении в масло руки чувствовалась боль от сильного давления, производимого колебаниями. На поверхность масла можно было поместить небольшой стеклянный диск с гирями (до 150 г), который не погружался, так как давление, производимое ультразвуковыми волнами, противодействовало силе тяжести.

Рис. 2.

Если погрузить в масло один конец тонкого стеклянного стержня, то колебания будут распространяться по нему; так как поглощение энергии в стекле не велико, то стержень почти не греется, однако если прикоснуться к нему пальцем, то получается ожог; поднеся к стержню деревянную или стеклянную пластинку, можно просверлить в ней отверстие, причем вследствие выделения в месте соприкосновения громадного количества энергии, превращающейся в тепло, дерево обугливается. Лед, поглощающий ультразвуковые волны, распространяющиеся по нему, быстро тает.

Заставляя колебания проходить из масла в воду или из воды в ртуть, можно получить эмульсии, состоящие из микроскопических частиц этх жидкостей. Легкие жидкости, например бензол, под действием этих колебаний разбрызгиваются на мельчайшие капельки в виде тумана (рис. 3).

Рис. 3.

Рыбы, лягушки и мелкие организмы умирают благодаря громадному давлению, испытываемому ими при помещении их в среду, через которую распространяются ультразвуковые волны. Кроме того ультразвуковые волны оказывают влияние на некоторые химические реакции и производят ряд биологических эффектов (например разрушают кровяные шарики).

Чрезвычайно интересные опыты были проделаны советским исследователем С. Я. Соколовым. Он направлял ультразвуковые колебания на маленький стеклянный сосуд с отверстием, закрытым тонкой резиновой перепонкой (мембраной), соединенной с вертикальным стержнем, имевшим на верхнем конце небольшое зеркальце, отражавшее луч света на шкалу. Под давлением колебаний мембрана изгибалась, и световой зайчик отклонялся на некоторое расстояние. Если на пути пучка колебаний поместить пластинку из какого-либо вещества, то часть их энергии поглотится, и давление на мембрану, а потому и отклонение зайчика, станет меньше. Беря пластинки толщиной в 1 мм С. Я. Соколов получил следующие результаты:

Таким образом, наиболее сильным поглощением обладают алюминий и свинец.

Рис. 4.

В дальнейшем Соколов видоизменил свои опыты следующим образом:

Кварцевая пластинка 1 (рис. 4) помещалась между массивными стальными обкладками 2, погруженными в масло 3, на верхнюю обкладку наливалась ртуть 4, а на ртуть ставились цилиндры 5 из различных металлов (так как акустические плотности металлов и ртути довольно близки друг к другу, то условия передачи колебаний были очень благоприятны). Верхнее основание цилиндра покрывалось тонким слоем масла 6. При достаточно сильном возбуждении кварца, ультразвуковые волны проникали сквозь цилиндр и приводили масляный слой в колебания, легко заметные на глаз. Можно было точно измерить величину напряжения, при которой волны оказывались способными проникнуть через толщу цилиндра. При 10 000 вольт ультразвуковые волны пронизывали железный цилиндр высотой в 47 см. Наименьшее поглощение оказалось у стали, за которой следуют бронза, железо, медь и наконец свинец.

Если в цилиндре имеются пустоты (образующиеся при отливке) или крупные вкрапления посторонних тел, то поглощение волн сильно увеличивается, так что для проникновения колебаний через цилиндр приходится усиливать возбуждение кварца, повышая напряжение. Это обстоятельство позволяет применить ультразвуковые колебания для изучения однородности металлического литья. До настоящего времени это изучение производилось при помощи рентгеновых лучей, проникающая способность которых значительно меньше (в железе — 10—12 см).

Наконец, С. Я. Соколовым было начато изучение распространения ультразвуковых волн вдоль металлических проволок. Один конец длиной (35 метров) металлической ленты сечением 2 × 10 мм накладывался на ртуть, налитую на обкладку кварца, а к другому присоединялся приемник, содержавший другую кварцевую пластинку, имевшую ту же частоту собственных колебаний, что и первая пластинка. Интенсивность ультразвуковых колебаний, возникающих в ленте, была настолько значительна, что на расстоянии 20 метров от генератора можно было наблюдать движение капелек масла, нанесенных на ленту. На бо́льших расстояниях это движение уже не было заметно; однако тот факт, что в приемнике отмечались колебания, позволяет думать, что они вызывались механическими колебаниями конца ленты, оказывавшего давление на кварцевую пластинку приемника; для приведения же капель масла, находившихся у конца ленты, в заметное движение, интенсивность этих колебаний оказывались недостаточной.

Дальнейшие работы, посвященные изучению ультразвуковых волн, ведущиеся в настоящее время как в Союзе, так и за границей, вероятно выяснят еще целый ряд их свойств и откроют возможности их практического применения.

Н. Н. Малов