В. Рачков - Чудесные кристаллы

• Название: Чудесные кристаллы
• Автор: В. Рачков
• Издательство: Воениздат
• Жанр: Прочая научная литература
• Год: 1962

Автор брошюры рассказывает о том, как было открыто пьезоэлектричество, какова физическая сущность этого явления, какими свойствами обладают пьезокристаллы.

В брошюре говорится об устройстве пьезоэлектрических приборов и их применении в различных областях науки и техники. Особое внимание уделено применению этих приборов в военном деле

Брошюра рассчитана на широкий круг читателей.

---

Гидролокатор — это активное средство наблюдения. Для обнаружения целей гидролокатор должен излучать ультразвук, который может быть услышан находящимися поблизости вражескими кораблями. Поэтому подводники очень осторожно используют гидролокационную станцию, соблюдая скрытность.

ПОДВОДНАЯ СВЯЗЬ

Пьезоэлектрические преобразователи применяются и в гидроакустических приборах звуковой и ультразвуковой подводной связи. В конце второй мировой войны подводные лодки, долгое время действовавшие в одиночку, стали вести боевую деятельность в составе групп. Такие действия позволяли быстрее находить корабли противника, а также увеличивали мощь торпедного удара.

Но как управлять подводными лодками группы, если они большую часть времени находятся под водой? Ведь радиоволны не проникают сквозь многометровую толщу морской воды. На помощь пришли гидроакустические приборы подводной связи. Они позволили подводным лодкам, находящимся за многие километры друг от друга, поддерживать между собою связь — передавать команды, сведения о своих действиях, результаты наблюдения за противником и другие данные. Приборы подводной связи позволяют также подводной лодке вступать в связь с надводным кораблем, не всплывая на поверхность.

В основе устройства приборов подводной связи лежит тот же принцип, что и у гидролокатора. Более того, любой гидролокатор можно использовать для подводной связи. Если на одном корабле гидролокатором излучать ультразвуковые сигналы, то на другом корабле в режиме приема гидролокатор будет принимать сигналы первого. Включая генератор гидролокатора при помощи телеграфного ключа, можно передать определенное сообщение.

По данным зарубежной печати, в настоящее время специальные приборы ультразвуковой или звуковой подводной связи работают как в направленном, так и в ненаправленном режиме. Эти приборы могут передавать телеграфные и телефонные сообщения. При необходимости командир одной подводной лодки может по телефону переговорить с командиром другой подводной лодки.

Упрощенная схема станции подводной связи изображена на рис. 31. В приборах подводной связи применяются преобразователи ненаправленного действия, способные излучать звуковые волны во все стороны равномерно. Они устроены следующим образом.

Рис. 31. Упрощенная схема станции подводной связи

На полую металлическую трубку, служащую как бы стержнем, надевают несколько пьезоэлектрических колец из титаната бария (рис. 32). Электродами пьезокерамики является тонкий слой металла, обычно серебра, покрывающий внутреннюю и внешнюю поверхности колец. Одноименные электроды при помощи проводов соединяются последовательно между собой. Все устройство помещается в звукопрозрачный кожух и размещается в обтекателе.

Рис. 32. Акустический преобразователь ненаправленного действия

РАДИОГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ БУИ

В семействе гидроакустических приборов вы найдете и очень маленькие по размерам шумопеленгаторы и гидролокаторы. Они применяются в радиогидроакустических буях — новом средстве обнаружения подводных лодок, появившемся после второй мировой войны. Это небольшие цилиндры, внутри которых размещается взаимосвязанная гидроакустическая и радиопередающая аппаратура.

Радиогидроакустические буи могут применяться морской авиацией — самолетами и вертолетами. Можно их устанавливать и с надводных кораблей. Наиболее распространены буи пассивного действия, где в качестве гидроакустической аппаратуры применяется шумопеленгаторная станция с пьезоэлектрическим приемником ненаправленного действия. В корпусе буя, который обладает положительной плавучестью, т. е. способен плавать на поверхности моря, размещаются радиопередатчик с антенной, модулятор и усилитель (рис. 33). Пьезоэлектрический приемник, электрически связанный с усилителем, размещается в нижней части буя. Такие буи устанавливаются в опасных от подводных лодок районах. Обычно устанавливается несколько радиогидроакустических буев.

Как только подводная лодка окажется в зоне обнаружения, приемник начнет принимать шумы подводной лодки, которые преобразуются в электрические сигналы, а затем излучаются в пространство в виде электромагнитных волн.

Рис. 33. Блок-схема радиогидроакустического буя пассивного действия

На самолете или корабле, поставившем буи, непрерывно несется вахта на приемниках, настроенных на частоту передатчика буя. Услышав сигнал работающего буя, определяют направление на него, и в район местонахождения подводной лодки направляют корабли и самолеты для ее уничтожения.

Такие буи называют дрейфующими радиогидроакустическими буями, время действия их ограничено, и они самозатапливаются.

В зарубежных флотах применяются и стационарные радиогидроакустические буи, местоположение которых с течением времени не меняется. Общий вид стационарного буя показан на рис. 34. Стационарные буи бывают как пассивного, так и активного действия. В активном буе вместо приемника шума применена миниатюрная гидролокационная станция, которая после установки буя автоматически включается и обследует водное пространство. Сигналы, принимаемые гидролокатором, запускают радиопередатчик, который посылает в эфир сообщение об обнаружении подводной лодки.

Рис. 34. Стационарный радиогидроакустический буй

Стационарные радиогидроакустические буи в отличие от дрейфующих буев могут находиться в море длительное время. Ни течение, ни ветер не снесет буй с места, так как он стоит на якоре. Обычно стационарные буи устанавливаются далеко в море и предназначены для обнаружения подводных лодок в дальней зоне.

ГОВОРЯЩИЙ КРИСТАЛЛ

Как вы уже убедились, электрический преобразователь необходим для приема звуковых волн. Но пьезоэффект обратим. Поэтому пьезоэлектрический преобразователь может быть использован и при воспроизведении принятых звуков, например, в телефонных наушниках или репродукторах. Пьезоэлектрические телефоны очень чувствительны и хорошо воспроизводят все слышимые ухом звуки.

Однако воспроизведение звука — область не гидроакустики, а электроакустика — науки, занимающейся электрической записью и воспроизведением звуковых колебаний. В этой науке пьезоэлектричеству также отведена не последняя роль.

Возьмите пьезоэлектрические телефонные наушники. В каждом из них вы найдете так называемый пьезоэлемент, состоящий из пластинок сегнетовой соли.

А теперь рассмотрим, как работает такой пьезоэлемент. Дело в том, что пьезоэлементы, применяемые в электроакустических приборах, существенно отличаются по своему устройству от пьезоэлектрических пластинок в вибраторах и приемниках гидроакустических станций. Если там пластинки работали на сжатие — растяжение, то здесь они работают на изгиб, кручение и смещение. Этим достигается максимальная чувствительность пластинки.

Пьезоэлектрическую пластинку можно вырезать так, чтобы под воздействием электрического тока она либо удлинялась, либо укорачивалась. Если снабдить две такие пластинки электродами и склеить между собой, то получим так называемый биморфный элемент. Склеивать пластинки нужно так, чтобы при укорочении одной другая удлинялась и наоборот.

Если теперь подвести к электродам переменный ток, то весь элемент в целом будет изгибаться в ту или иную сторону в зависимости от знака зарядов на электродах. Такой биморфный элемент называется пьезоэлементом изгиба (рис. 35, а).

А как сделать пьезоэлемент, работающий на кручение? Для этого из целого кристалла надо вырезать брусок так, чтобы под воздействием электрического тока противоположные углы бруска смещались в разные стороны. Если склеить два таких бруска и закрепить неподвижно один конец, то получим биморфный пьезоэлемент кручения (рис. 35, б).

Если оставить свободным один конец такого пьезоэлемента, а остальные три закрепить, то получим пьезоэлемент смещения (рис. 35, в)

Теперь станет понятно, как работают пьезоэлектрические телефонные наушники, или, как часто их называют, телефоны. Здесь чаще всего используется пьезоэлемент смещения. Свободный конец элемента соединяется с конической мембраной. Переменный ток, подведенный к пьезоэлементу, вызывает колебания свободного конца, которые передаются мембране. Если ток изменяется со звуковой частотой, то будет слышен звук.

Рис. 35. Биморфные пьезоэлементы: а — изгиба, б — кручения; в — смещения

Подводная лодка вышла в море на выполнение боевого задания. Непрерывно несется вахта на шумопеленгаторной станции. Внимательно прослушивает водное пространство специалист-гидроакустик. Но что это? Еле слышный шорох в наушниках, потом громче, громче… Конечно! Шум винтов боевого корабля противника! Надо немедленно доложить об этом командиру!