Текст книги "Пьезоэлектричество"

Автор книги: Александр Плонский

сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 5 страниц)

Если направить пучок ультразвуковых волн, излучаемых пьезоэлектрической пластинкой, на обыкновенный термометр, то вскоре к термометру нельзя будет прикоснуться: вследствие ультразвуковых колебаний стекла рука почувствует ожог, хотя температура, показываемая термометром, останется приблизительно прежней.

При пропускании ультразвука сквозь жидкость она, оставаясь холодной, как бы вскипает. Это объясняется способностью ультразвуковых волн высвобождать из жидкости пузырьки растворённого в ней воздуха или иного газа. Если опустить в такую жидкость рыбу или лягушку, то они мгновенно погибнут.

Учёные обнаружили также, что мощные ультразвуки оказывают влияние на характер кристаллизации тел и ускоряют некоторые химические реакции.

Мы рассмотрели только часть свойств и применений ультразвука. В настоящее время ультразвуковые системы применяют ещё в целом ряде отраслей народного хозяйства, например, в телевидении, сельском хозяйстве и геологии. И во всех случаях наиболее совершенным и удобным излучателем ультразвуковых волн оказывается пьезоэлектрическая пластинка.

8. Поющий кристалл

Первое время пьезоэлектрическая пластинка «умела» излучать лишь неслышимые ультразвуковые волны. Однако вскоре она «научилась» говорить, петь и даже играть одновременно на многих музыкальных инструментах. Этому способствовало быстрое развитие электроакустики – науки, занимающейся вопросами электрической записи и воспроизведения звуковых колебаний.

Взгляните на извилистую бороздку граммофонной пластинки. Извилины этой бороздки напоминают застывшие гребни морских волн. Игла граммофона, следуя по извилинам, колеблется с той или иной частотой. Там где они круче, частота колебаний выше, а там где положе игла колеблется с меньшей частотой.

Колебания граммофонной иглы передаются упругой мембране – тонкой, туго натянутой металлической пластинке, а от неё, через рупор, – окружающему воздуху.

Граммофон имеет целый ряд недостатков. Он воспроизводит музыку и речь с большими искажениями. Громкость воспроизведения недостаточно велика, регулировать её в соответствии с желанием слушателя невозможно.

Гораздо лучшие результаты получаются при электрическом воспроизведении грамзаписи. Схема работы электрического граммофона приведена на рис. 21.

Рис. 21. Схема электрического воспроизведения грамзаписи.

Колебания иглы при её движении по бороздке грампластинки передаются в этом случае особому прибору – звукоснимателю, который преобразует их в соответственные электрические колебания. Затем происходит усиление электрических колебаний и преобразование их в звук с помощью громкоговорителя.

При электрическом воспроизведении грамзаписи можно в широких пределах регулировать громкость воспроизводимой музыки или речи, изменять их тембр.

Электрические колебания, создаваемые звукоснимателем, можно передать по проводам на любое расстояние.

Наиболее распространены звукосниматели, действующие по пьезоэлектрическому принципу. В них механические колебания иглы передаются пьезоэлектрической пластинке и преобразуются ею в переменный электрический ток. Следовательно, и здесь пьезопластинка играет обычную для неё роль преобразователя энергии.

В электроакустике применяются также пьезоэлектрические микрофоны, телефоны и громкоговорители.

Микрофон – это прибор, служащий для превращения звука в электрические колебания звуковой частоты. Пьезомикрофон действует подобно приёмнику ультразвука: звуковая волна, встречая пьезоэлектрическую пластинку, заставляет её колебаться, и на электродах пластинки возникают заряды, знаки которых меняются с частотой улавливаемого звука.

Радионаушники или, как их правильнее называть, телефоны, выполняют обратную задачу. Они превращают электрические колебания в звуковые, то есть служат для воспроизведения звука. Пьезотелефон по своему устройству и действию напоминает излучатель ультразвуковых волн. Он представляет собой пьезоэлектрическую пластинку, колебания которой передаются тонкой металлической мембране, а от неё окружающему воздуху.

Если к мембране телефона или непосредственно к пьезопластинке прикрепить конический бумажный рупор, то звук будет слышен более громко. Это объясняется тем, что за счёт рупора возрастает колеблющаяся поверхность, и колебания передаются большей массе воздуха. Кроме того, излучение звуковых волн в этом случае более направленно, и их энергия концентрируется в нужном направлении. Такое устройство и называют пьезоэлектрическим громкоговорителем.

Как видим, пьезоэлектрическая пластинка, этот «поющий кристалл», может вобрать в себя звучание огромного симфонического оркестра, передать это звучание по проводам или с помощью радио на другой конец земли и воспроизвести его так, как если бы оркестр играл рядом.

Рассмотрим подробнее характерные особенности пьезоэлектрических приборов, применяющихся в акустике. В любое пьезоакустическое устройство, будь то громкоговоритель, звукосниматель или микрофон, входит так называемый пьезоэлемент, состоящий обычно из двух склеенных между собой пластинок из кристалла сегнетовой соли. Сегнетова соль по сравнению с другими пьезоэлектриками обладает наиболее сильным пьезоэлектрическим эффектом, поэтому пластинка из сегнетовой соли очень чувствительна – самое ничтожное механическое воздействие возбуждает на электродах электрический заряд. Сегнетова соль удобна и тем, что её кристаллы легко выращиваются искусственным путём и обрабатываются. Однако ей свойственны и серьёзные недостатки – она хорошо растворяется в воде и, следовательно, боится влаги. Другой её недостаток – низкая температура плавления (приблизительно 63° Ц); кроме того, пластинка из сегнетовой соли довольно непрочна. Поэтому в настоящее время ведутся поиски заменителя сегнетовой соли, который был бы близок к ней по чувствительности и не имел её недостатков.

Электроакустический пьезоэлемент работает не на сжатие – растяжение, как кварцевый излучатель ультразвука, а на изгиб (иногда на кручение). Этим достигается максимальная чувствительность пластинки из сегнетовой соли.

Пьезоэлектрическую пластинку можно вырезать из кристалла под такими углами к координатным осям, чтобы под воздействием электрических зарядов она либо удлинялась, либо укорачивалась. Две такие пластинки склеиваются большими гранями так, чтобы при укорачивании одной из них другая удлинялась, и наоборот. Тогда элемент в целом, если к электродам подвести переменный электрический ток, будет изгибаться в ту или иную сторону в зависимости от знаков зарядов на электродах (рис. 22).

Рис. 22. Как получаются колебания изгиба в пьезоэлектрическом элементе, состоящем из двух склеенных между собой пластинок сегнетовой соли.

Пьезоэлемент закрепляется чаще всего по трём его углам, а четвёртый, свободный, соединяется с мембраной телефона, рупором громкоговорителя или держателем граммофонной иглы. От влаги пьезоэлементы предохраняются водонепроницаемыми оболочками из целлулоида.

Пьезоэлектрический громкоговоритель, звукосниматель или микрофон можно сделать самим. Но изготовить обычный пьезоэлемент в домашних условиях невозможно, так как для этой цели нужно вырастить кристалл сегнетовой соли нужных размеров, вырезать из него под определённым углом к координатным осям пьезоэлектрические пластинки, склеить их и т. д. Поэтому для изготовления самодельного пьезоэлемента следует воспользоваться более простым способом.

Вырежьте из куска тонкой листовой стали прямоугольную пластинку шириной 30 и длиной 90 мм. С помощью карандаша и линейки разделите её на три одинаковых квадрата. Средний из них покройте тонким слоем текстуры из сегнетовой соли – так, как это делалось раньше (см. стр. 26), штрихи следует проводить под углом 45° к длинному ребру пластинки. Затем изготовьте из металлической фольги («серебряной» бумаги) квадратный электрод со сторонами около 28 мм, слегка увлажните водой поверхность текстуры, наложите на неё электрод и притрите его с помощью ваты к увлажнённой поверхности. Роль второго электрода играет стальная пластинка, на которую нанесена текстура.

Устройство такого самодельного пьезоэлемента показано на рис. 23.

Рис. 23. Так устроен самодельный пьезоэлемент.

Если спустя несколько дней (время, необходимое для полного созревания текстуры) присоединить к электродам пьезоэлемента проводники и включить их в радиотрансляционную сеть, то пластинка начнёт колебаться, станет слышна радиопередача. Такие пьезоэлементы можно использовать непосредственно в качестве простейших телефонов.

А вот как можно сделать простейший звукосниматель. Прикрепите к одному из углов самодельного пьезоэлемента держатель для граммофонной иглы (такого же типа, как и в обычной мембране граммофона). К противоположной стороне пластинки нужно прикрепить металлическую трубку длиной около 150 мм. Свободный конец трубки укрепляется в специальном шарнире (рис. 24).

Рис. 24. Устройство пьезоэлектрического звукоснимателя с текстурным пьезоэлементом.

Подобный звукосниматель может успешно использоваться для воспроизведения грамзаписи. Для этого проводники, соединённые с электродами, подключаются к усилителю обычного радиоприёмника, а звукосниматель устанавливается на патефоне так, чтобы при повороте трубки вокруг оси шарнира игла совмещалась с центром пластинки.

По мере развития техники пьезоэлектрическую пластинку стали использовать и для новых целей. Об одной из них рассказывается ниже.

9. О необыкновенном манометре

Соприкасающиеся тела давят друг на друга с некоторой силой. Чернильница давит на стол; вода, налитая в сосуд, давит на его стенки; пар оказывает давление на поршень паровой машины.

Сила, воздействующая на соприкасающиеся тела, распределяется по поверхности их соприкосновения. Известно, что лыжник пройдёт по самому рыхлому снегу, а пешеход, весящий столько же, сколько и лыжник, увязнет в снегу по колено. Это происходит потому, что в первом случае сила тяжести распределяется по значительно большей площади, чем во втором.

Сила, которая действует на каждую единицу площади соприкосновения тел, называется давлением. Давление обычно выражается в килограммах на квадратный сантиметр (кг/см²).

Одна и та же сила, будучи приложена к различным площадям, производит разное давление. И наоборот, разные силы при определённых условиях вызывают одинаковые давления. Так, например, граммофонная игла давит на пластинку почти так же, как колесо паровоза на рельс. В обоих случаях давление равно примерно 1000 кг/см². Это может показаться невероятным: ведь вес паровоза исчисляется десятками тонн, тогда как мембрана граммофона весит немногим больше ста граммов. Однако ошибки здесь нет: в первом случае вес распределяется по значительной площади, а во втором – сосредоточивается на острие иглы.

Очень часто возникает необходимость в измерении давлений. Машинист паровоза должен знать, каково давление пара в котле. Если оно слишком мало – поезд остановится, если слишком велико – может произойти взрыв котла. Метеоролог, не зная атмосферного давления, не сможет составить прогноз погоды. Врачу для определения болезни нередко требуется определить давление крови в кровеносных сосудах больного.

Измерение давлений производится с помощью специальных приборов, которые называются манометрами.

Простейший манометр представляет собой изогнутую стеклянную трубку, наполненную водой, ртутью или какой-либо иной жидкостью (рис. 25).

Рис. 25. Простейший жидкостный манометр.

Одно из колен трубки соединяется с сосудом, где нужно измерить давление (например, с котлом), другой остаётся свободным. На свободный конец трубки давит столб атмосферного воздуха. Если давление внутри сосуда равно атмосферному давлению, то они взаимно уравновешиваются, и жидкость в обоих коленах находится на одном уровне.

Если же давление в сосуде становится больше атмосферного, то жидкость в свободном колене начинает подниматься, а в колене, присоединённом к сосуду, – опушаться. Это происходит до тех пор, пока вес избытка жидкости в свободном колене не уравновесит разность давлений.

Величину давления в сосуде определяют по разности уровней жидкости в коленах трубки. Если трубка наполнена водой, то каждый сантиметр разности уровней означает давление в 1 грамм на квадратный сантиметр. Разность уровней в 10 см показывает, что давление внутри сосуда на 10 г/см² больше атмосферного.

Очень распространён также манометр, состоящий из изогнутой металлической трубки и рычажного механизма со стрелкой. Один из концов трубки запаян, а другой соединён с сосудом, в котором измеряется давление. При повышении давления в сосуде трубка манометра распрямляется и приводит во вращение стрелку. Чем больше давление, тем сильнее отклоняется стрелка.

Описанные приборы не лишены недостатков. С помощью жидкостного манометра можно измерять лишь сравнительно небольшие давления. При быстрых отклонениях давления он не успевает отмечать происшедшие изменения, что влечёт за собой ошибки.

Механический манометр тоже недостаточно совершенен. Он имеет низкую чувствительность и мало пригоден для измерения слабых давлений. Непригоден он и для измерения очень больших давлений, например, в цилиндре двигателя (из-за недостаточной прочности металлической трубки). Таким прибором также невозможно измерять резкие изменения давлений, происходящие в сотые и тысячные доли секунды.

Упомянутые недостатки заставили учёных заняться поисками новой, более совершенной системы манометра, способной измерять и очень слабые и очень большие давления, а также регистрировать процессы, которые происходят в кратчайшие периоды времени.

Было разработано несколько типов манометров, отвечающих современным техническим требованиям и среди них – пьезоэлектрический манометр.

Мы уже знаем, что под воздействием давления на гранях пьезоэлектрической пластинки возбуждаются электрические заряды, величина которых пропорциональна давлению. Во сколько раз увеличивается давление, во столько раз возрастает и количество электричества на гранях пластинки. А эту величину можно измерить с помощью специальных электрических приборов.

Рассмотрим устройство пьезоэлектрического манометра, применяющегося при испытании паровых машин (рис. 26).

Рис. 26. Устройство пьезоэлектрического манометра для испытания паровых машин.

Переходная трубка 1 соединяет манометр с цилиндром паровой машины. Давление пара воздействует на мембрану 2 и через специальную шайбу 3 передаётся на две кварцевые пластинки 8, собранные так, что одноимённые заряды на их гранях складываются. Отрицательные заряды возбуждаются на электроде 4, а положительные – на корпусе манометра. Электрод 4 и корпус манометра соединяются проводниками с электрическим прибором, служащим для измерения величины зарядов, а следовательно, и давления. Чтобы обеспечить равномерное давление на пластинки, применяется стальной шарик 6. Величину начального давления устанавливают при завинчивании крышки 7.

Благодаря высокой упругости кварца пластинки под давлением сжимаются незначительно. Поэтому мембрана 2 почти не перемещается, и манометр мгновенно отмечает малейшее изменение давления.

Пьезоэлектрические манометры пригодны для измерения очень малых давлений, так как даже самое ничтожное количество электричества на электродах пластинок может быть усилено посредством специальных устройств – усилителей, как это делается, например, в радиоприёмниках. Но такими манометрами можно измерять и огромные давления, так как прочность кварца велика.

К числу достоинств пьезоэлектрических манометров относится также возможность измерения давлений на расстоянии. При этом непосредственно на исследуемом объекте устанавливается только сам манометр. Усилительное же устройство и измерительные приборы могут удаляться на значительное расстояние, поскольку связь между ними и манометром осуществляется по проводам. В обычных механических манометрах такая связь требует сложного передаточного устройства с рычажным механизмом или особого трубопровода.

Пьезоэлектрические манометры применяются в ряде отраслей народного хозяйства нашей страны. На железнодорожном транспорте с их помощью исследуется давление, которое оказывает на рельсы проходящий поезд. В станкостроении определяются давления и усилия, возникающие при работе станков.

В метеорологии начинают находить применение пьезоэлектрические барометры – приборы для измерения атмосферного давления.

Были разработаны и пьезоэлектрические методы измерения кровяного давления, а также давления соков в стеблях и стволах растений.

10. Как пьезоэлектрическая пластинка измеряет ускорение

Представьте себе следующий довольно обычный случай из повседневной жизни.

…По улице движется трамвай. Внезапно вожатый замечает на линии зазевавшегося пешехода; он быстро выключает ток и поворачивает рукоятку тормоза. Движение трамвая мгновенно замедляется: пробежав несколько метров, он останавливается. В этот момент пассажиры ощущают резкий толчок вперёд, по ходу вагона.

Убедившись, что опасность миновала, вожатый снова включает ток, и трамвай трогается, набирая скорость. При этом пассажиры вторично испытывают толчок, но теперь в сторону, обратную движению вагона.

В обоих случаях рывки, которые испытывали пассажиры, были вызваны силой, обусловленной инерцией (инерция – свойство тел сохранять состояние покоя или прямолинейного и равномерного движения). Инерцией объясняется и движение трамвая при выключенном моторе.

Влияние инерции не исчерпывается вышеприведённым примером. С ней человек встречается на каждом шагу. Часто можно наблюдать как движется с разгона автомобиль с выключенным мотором или, не работая педалями, едет велосипедист. Их движение также обусловлено инерцией.

Чем больше масса тела, то есть количество вещества в нём, тем больше и инерция. Тяжёлый вагон труднее сдвинуть с места или затормозить, чем лёгкую тележку. Поэтому иногда говорят, что масса – это мера инерции тел.

Между массой тела, его ускорением (приростом скорости за одну секунду) или замедлением (потерей скорости за одну секунду) и силой инерции существует прямая зависимость. Чем больше масса тела и его ускорение (или замедление), тем больше эта сила. Такой закон механики иногда формулируют следующим образом: сила равна произведению массы на ускорение.

Непрерывный рост скоростей современных машин придаёт особую важность вопросам измерения ускорений. Конструктор самолёта, зная возможную величину ускорения, рассчитывает, какие силы инерции будут воздействовать на машину в полёте, и отсюда находит необходимую прочность деталей. Правильность расчёта проверяется затем лётчиком-испытателем, испытывающим опытный образец самолёта в полёте. При выходе из пикирования, то есть из крутого, почти отвесного падения, самолёт резко теряет скорость, в этот момент детали машины и организм лётчика подвергаются громадной нагрузке, которая вызвана инерцией. Чтобы предупредить возможность разрушения самолёта, необходимо знать величину допустимого ускорения. Эта величина и устанавливается во время испытательного полёта.

Ускорение можно рассчитать, зная массу какого-либо тела и силу, действующую на него при движении с этим ускорением. Последнюю нетрудно измерить, например, с помощью пружинных весов или любого устройства для измерения давлений. На этом и основан принцип действия акселерографов – приборов, измеряющих величину ускорения.

Подобно манометрам акселерографы могут быть различных типов. Посмотрим, как устроен и работает пьезоэлектрический акселерограф, схематически изображённый на рис. 27.

Рис. 27. Схема пьезоэлектрического акселерографа.

Внутри камеры (корпуса) акселерографа подвешен на жёстких пружинах груз, масса которого заранее известна.

При измерениях камера перемещается вместе с испытуемым телом (поездом, самолётом и т. д.). Сила, воздействующая на груз в результате инерции, передаётся через пружины пьезоэлектрическому манометру. Под действием этой силы на электродах манометра выделяются электрические заряды, величина которых пропорциональна силе, а следовательно, и ускорению.

С помощью пьезоэлектрических акселерографов можно не только измерять ускорения, но решать и ещё более сложные задачи. Об одной из этих задач мы сейчас и расскажем.

11. Изучение вибраций

Почти любое движение сопровождается вибрациями.

Вибрируют движущиеся части и основания станков, крылья самолётов, вращающиеся роторы электрических моторов, паровых турбин и гидрогенераторов, дрожат мосты, когда по ним проходят поезда, и т. д.

Вибрации возникают в результате воздействия сил, периодически изменяющих своё направление. Такие нагрузки, называемые знакопеременными, представляют большую опасность для любого механизма или сооружения.

Известны случаи поломки осей, валов, лопаток турбин, разрушение мостов и зданий, причина которых заключалась в знакопеременных нагрузках.

При определённых условиях размах колебаний во время вибрации резко возрастает. Так, не особенно сильная вибрация грунта, вызываемая, например, работой бензинового движка, способна иногда раскачать многоэтажное здание; строевой шаг взвода солдат – разрушить мост и т. д.

Частота вибраций (она показывает, сколько раз в единицу времени меняется нагрузка) может изменяться в широких пределах – от десятой доли до сотен и даже тысяч колебаний в секунду.

Положим, что с вибрирующим телом жёстко связана камера акселерографа. Тогда на его груз будет воздействовать сила, пропорциональная ускорению вибрирующего тела. Однако это ускорение периодически меняется по величине и характеру (ускорение – замедление) в соответствии с изменением нагрузки. Поэтому и сила, воздействующая на груз, носит знакопеременный характер. Следовательно, в цепи пьезоэлектрической пластинки возбуждается переменный электрический ток. В этом случае стрелка электрического прибора, изменяющего величину зарядов, будет колебаться с частотой вибрации, и мы не сможем уловить её показаний.

Однако эти неуловимые колебания стрелки можно зарисовать на бумаге. Для этой цели используются особые приборы – самописцы.

На рис. 28 показано, как работает простейшее самопишущее устройство.

Рис. 28. Схема простейшего самопишущего устройства.

На барабан, вращающийся со строго постоянной скоростью, наматывается бумажная лента. Поперёк этой ленты скользит стрелка электрометра особой конструкции. На конце стрелки укреплено пишущее перо, которое оставляет на ленте свой след. Если бы лента была неподвижна, то при вибрациях перо двигалось бы вверх-вниз по одному и тому же месту. Но поскольку лента в свою очередь перемещается, перо чертит на ней извилистую линию – кривую вибраций.

Эта зарисованная на бумаге картина вибраций может быть легко расшифрована. Высота пиков на кривой показывает величину размаха колебаний вибрирующего тела. Зная скорость вращения барабана и число пиков на отрезке ленты, легко найти и частоту вибрации.

Однако при высокой частоте вибраций самопишущие устройства оказываются непригодными. Вследствие того, что детали самописца обладают инерцией, пишущее перо не успевает следовать за быстрыми движениями вибрирующего тела.

В этом случае пьезоэлектрический акселерограф соединяется с осциллографом. На экране осциллографа непосредственно наблюдается светящаяся кривая вибраций – осциллограмма, которую легко зафиксировать с помощью фотоаппарата. Примеры осциллограмм даны на рис. 29.

Рис. 29. а) Кривая колебаний крыла самолёта после удара, б) кривая вибраций фундамента паровой турбины, в) колебания неотрегулированного электромотора.

Исследовать высокочастотные вибрации возможно только при помощи пьезоэлектрических акселерографов.