Звуки в морских глубинах - [6]

Совсем недавно ученые научно обосновали давно известное явление. Многие больные ревматизмом предсказывают плохую погоду, ссылаясь на боль в суставах.

Ученые провели ряд наблюдений за больными на берегу Черного моря и сделали вывод, что при надвигающемся шторме или урагане издалека приходят инфразвуковые волны, которые и действуют на больного человека.

Эти волны воспринимаются и некоторыми животными. Медузы, например, перед штормом устремляются дальше от берега в открытое море, а ракообразные живые организмы прячутся в песок подальше от воды, чтобы не погибнуть от ударов волн.

Чем создать ультразвук?

Для того чтобы ультразвук стал помощником человека, нужно прежде всего знать, как его создать искусственно.

Замечено, что кристаллы кварца и сегнетовой соли обладают удивительным свойством. Если пластинку, вырезанную из кристалла кварца, сжимать и разжимать, то на ее гранях возникнут электрические заряды, противоположные по знаку (рис. 12).

Рис. 12. Если пластину кварца сжимать и разжимать, то на ее гранях возникнут электрические заряды.

Чем сильнее сжимать пластинку, тем больший заряд возникает на ее гранях. И наоборот, если к этой пластинке подвести напряжение, то она изменит свой размер. Чем больше напряжение, тем больше изменится размер.

При изменении знака приложенного напряжения кварцевая пластинка будет то сжиматься, то разжиматься, иными словами, она будет колебаться в такт с изменением знаков приложенного напряжения. Чем чаще будут изменяться знаки подводимого напряжения, тем быстрее будет колебаться пластинка.

Возникновение электрических зарядов на гранях кварцевой пластинки при механическом воздействии получило название прямого пьезоэлектрического эффекта (рис. 13, а), а изменение размеров пластинки под действием электрических зарядов — обратного пьезоэлектрического эффекта (рис. 13, б).

Рис. 13. Пьезоэлектрический эффект: а — прямой; б — обратный.

Это замечательное свойство кристаллов кварца и сегнетовой соли легло в основу создания источника ультразвуковых колебаний. В чем же физический смысл пьезоэлектричества? В основе пьезоэлектричества лежит явление поляризации диэлектриков, в результате которого под действием электрического поля внутри вещества возникают электрические диполи.

Электрические диполи представляют собой частицы вещества с двумя разноименными зарядами, находящимися один от другого на некотором расстоянии. Электрический диполь можно сравнить с маленьким заряженным конденсатором с разноименными полюсами.

Существуют естественные диэлектрики, которые имеют дипольную структуру и без электрического поля, к ним относятся пьезокристаллы.

В природе кварцы встречаются небольших размеров. Излучатель, сделанный из маленькой кварцевой пластинки, имеет небольшую мощность, в то время как нам необходим мощный источник ультразвука.

Ланжевен предложил маленькие пластинки кварца составлять в виде мозаики (рис. 14), чтобы увеличить площадь излучателя.

Рис. 14. Мозаика, составленная из пластинок кварца.

Однако одна мозаика из кварцевых пластин — это еще не излучатель, а только его сердцевина. Поэтому кварцевую мозаику приклеивают к металлической мембране. Но и это не все. Чтобы кварцевые пластины колебались, а вместе с ними колебалась и мембрана, нужно к излучателю подключить источник высокочастотных колебаний.

Сравнительно недавно научились выращивать кварцы больших размеров лабораторным путем. Пластины из таких кристаллов не нужно склеивать. Но растут кристаллы кварца медленно и дороги в производстве.

Кристаллы сегнетовой соли легко выращиваются искусственно, легко обрабатываются и обладают значительно большим пьезоэлектрическим эффектом, чем кварц. Но сегнетовая соль боится влаги, имеет низкую температуру плавления и обладает малой прочностью.

В природе существует свыше 300 кристаллических веществ, обладающих пьезоэлектричеством, но среди них трудно подобрать пригодные для излучателя звука.

В настоящее время применяют главным образом титанат бария, который получают искусственным путем. Этот материал очень прочен, прост в изготовлении, дешев и обладает хорошими пьезоэлектрическими свойствами.

Для изготовления излучателей ультразвука используют также другое замечательное свойство — магнитострикционный эффект. Он заключается в том, что ферромагнитные материалы (железо, кобальт, никель) и их сплавы, помещенные в переменное магнитное поле, изменяют свои размеры в такт изменению магнитного поля — прямой магнитострикционный эффект.

А если наоборот, сжимать или растягивать стержень из ферромагнитного сплава, то намагниченность стержня будет изменяться, а следовательно, будет изменяться магнитное поле. Это — обратный магнитострикционный эффект.

Магнитострикционный излучатель представляет собой пакет, набранный из тонких никелевых пластин толщиной примерно 0,1 миллиметра. Пакет делается не сплошным, а с прорезями, в которые укладывается обмотка (рис. 15, а).

При пропускании переменного тока по обмотке создается переменное магнитное поле, под воздействием которого пакет то удлиняется, то укорачивается. Если с большей частотой изменять знаки, то пакет будет колебаться с такой же частотой, передавая колебания среде (рис. 15,