Текст книги "Пьезоэлектричество"
Автор книги: Александр Плонский
сообщить о нарушении
Текущая страница: 4 (всего у книги 5 страниц)
12. «Ухо» хирурга
Казалось бы, зачем хирургу слух? Врачи во время операций руководствуются зрением и особым профессиональным чувством осязания, которое у опытных хирургов достигает необычайной остроты. Рука хирурга по её гибкости, чуткости и быстроте движений сравнима лишь с рукой музыканта.
А слух, нужен ли он для успеха операции?
В операционной, где нередко решается судьба человеческой жизни, царит абсолютная тишина. Движения хирурга и ассистентов совершенно бесшумны – люди понимают друг друга без слов. В этот момент еле слышный звук уже отвлекает внимание, ничтожный шорох раздражает. Одно единственное слово, сказанное «под руку», может причинить непоправимый вред.
Вот почему многие хирурги были бы, вероятно, не прочь на время операции «выключить» собственные уши, как выключают громкоговоритель, когда он мешает.
А между тем слух может стать таким же верным помощником хирурга, как осязание или зрение. Более того, богатство наших слуховых ощущений, если его суметь использовать, сулит хирургам новые возможности. Ведь зрение не может проникнуть в глубокую рану, не может обнаружить в ней осколков металла или костей.
В таких случаях хирургам приходится работать буквально «наощупь». Они исследуют глубокие ранения с помощью длинных, слегка изогнутых металлических стержней – так называемых зондов. Вводя зонд в рану, хирург медленно ощупывает её стенки и дно в поисках инородных предметов, которые нужно извлечь при операции.
Когда такой предмет, например, осколок снаряда или кусочек кости, ударяется о зонд, в зонде возникает упругая волна и рука хирурга улавливает лёгкое сотрясение.
Чтобы научиться в совершенстве владеть зондом и безошибочно угадывать характер инородного предмета, нужен большой опыт.
Зондирование значительно упростится, если упругую волну, возникающую в зонде при его столкновении с осколком, улавливать не рукой, а чувствительным пьезоэлектрическим прибором.
Такой прибор был создан во время Великой Отечественной войны на кафедре физики Ленинградского государственного педиатрического медицинского института (слово «педиатр» означает детский врач).
Пьезоэлектрический зонд устроен очень просто. Он состоит из собственно зонда – изогнутого металлического стержня, пьезоэлектрического микрофона, к которому этот стержень прикреплён, и пьезоэлектрических телефонов. Внешний вид такого зонда показан на рисунке 30.
Рис. 30. Так устроен пьезоэлектрический зонд.
По принципу работы пьезоэлектрический зонд напоминает своего рода звукосниматель, в котором вместо иглы применён стержень. Толчок, воспринятый стержнем, передаётся пластинке из сегнетовой соли. Пластинка начинает колебаться, и на её электродах возникают электрические заряды. Эти заряды через соединительные проводники передаются к телефонам, и в телефонах слышится звук.
Чувствительность пьезоэлектрического микрофона и телефонов с пластинками из сегнетовой соли вполне достаточна для того, чтобы звук был громок. Однако она может быть повышена во много раз, если электрические колебания усилить с помощью обычного усилителя, какой есть почти в любом радиоприёмнике.
Пьезоэлектрическим зондом легко не только обнаружить осколок, но и точно установить его характер. Если осколок с зазубренными краями, звук в телефонах будет прерывистым, похожим на царапанье. Если поверхность осколка гладкая, то звук будет похож на шорох.
Пьезоэлектрический зонд имеет и ещё одно, косвенное, достоинство. Телефоны, плотно охватывая уши хирурга, изолируют его от посторонних шумов, помогают сконцентрировать внимание на объекте операции.
По такому принципу можно переоборудовать и другие хирургические инструменты, например нож.
Разрезая мышцы различной упругости, нож вибрирует по-разному. Поэтому по характеру звука, слышимого в телефонах, врач сможет получить представление о том, какую ткань человеческого организма он разрезает.
Подобный «озвученный» нож будет «откликаться» на каждое мышечное волоконце, на каждый кровеносный сосудик, и работа хирурга значительно облегчится. Так хирург получит новое, объективное средство контроля своей работы. Различные хирургические инструменты, оснащённые пьезоэлектрическими приборами, были созданы советскими учёными – врачами и инженерами. Эти инструменты ещё не получили широкого распространения, но перспективы их применения в будущем заманчивы.
Особенно хороши такие инструменты в полевых условиях, когда операцию нужно делать немедленно, без предварительного рентгеновского исследования, без достаточно яркого освещения.
Пьезоэлектрическая аппаратура не требует ни особой регулировки, ни специального ухода. Её размеры весьма невелики – хирургические инструменты, оборудованные пьезоэлектрическими приборами, занимают немного места и могут храниться в чехлах или небольших шкафах.
Сделать и испытать пьезоэлектрический зонд или нож может любой врач, знакомый с основами пьезоэлектричества, описанными в этой книжке. Особенно хороший результат может дать применение пьезотекстурных элементов. Единственным недостатком текстуры из сегнетовой соли в данном случае является то, что она не выдерживает высокой температуры. Поэтому пьезоэлектрические инструменты нужно будет делать разборными, чтобы избежать нагрева текстурного элемента при кипячении ножа или зонда.
В промышленных образцах пьезоэлектрических элементов лучше всего применять пьезокерамику, которая не боится высоких температур. Тогда пьезоэлектрический элемент можно делать как одно целое с лезвием или стержнем.
Пьезоэлектрическую пластинку по праву можно назвать «ухом» хирурга, потому что она позволяет использовать при проведении операций не только зрение и осязание, но и слух, который в течение многих веков был для хирургов «мёртвым капиталом».
Так пьезоэлектричество служит гуманному делу сохранения и продления человеческой жизни.
13. Пьезоэлектрический резонатор
Если качнуть маятник, то он начнёт колебаться. Размах колебаний будет постепенно затухать, но их частота останется постоянной. Именно поэтому маятник и применяют в часах.
Частота колебаний маятника зависит от его размеров и не зависит от внешних воздействий: силы первоначального толчка, сопротивления среды и т. д. Поэтому она называется собственной частотой.
Подвесим к жёсткой стойке несколько маятников. Толкнём один из них, чтобы он начал колебаться. Энергия колебаний этого маятника будет передаваться через общую стойку другим маятникам. Однако придут в колебательное движение только те маятники, собственные частоты которых совпадают с частотой колебаний первого маятника.
Передача колебаний от какого-либо колеблющегося тела другим телам, обладающим такими же собственными частотами, называется резонансом (это слово имеет латинское происхождение и означает отзвук или отклик).
Возьмём гитару. Настроим две струны на одинаковый тон. Если теперь дёрнуть одну струну, то другая сразу же отзовётся. Это ещё один пример резонанса.
Когда на упругое тело (пружину, маятник и др.) воздействует знакопеременная нагрузка с частотой, равной собственной частоте этого тела, наблюдается возрастание размаха колебаний вследствие резонанса. Поэтому, чтобы как можно сильнее раскачать качели, нужно толкать их в такт колебаниям.
Если собственная частота колебаний какой-нибудь машины совпадает с частотой вибрации, то размах колебаний резко возрастает, вплоть до разрушения той или иной детали. Именно резонансом объясняются описанные выше случаи раскачивания зданий и разрушения мостов от незначительной знакопеременной нагрузки, которая случайно действовала с резонансной частотой.
Пьезоэлектрическая пластинка, как и любое другое упругое тело, обладает собственной частотой колебаний. Переменный ток, подводимый к электродам пластинки, можно рассматривать как внешнюю силу, вызывающую её периодическое сжатие и расширение. Если частота этой внешней силы далека от собственной частоты пластинки, то размах колебаний сравнительно невелик. Но по мере приближения частоты переменного напряжения к собственной частоте пластинки размах колебаний возрастает всё более резко и при резонансе достигает максимума. В этом случае пьезоэлектрическая пластинка является резонансной электромеханической колебательной системой, которую для простоты называют пьезоэлектрическим резонатором.
Резонансные свойства пьезоэлектрической пластинки нередко используются в известных нам ультразвуковых излучателях и приёмниках. Ведь при резонансе размах колебаний максимален, а следовательно, и наиболее велика мощность излучаемых пластинкой ультразвуковых волн.
В электроакустических приборах, напротив, стараются исключить возможность резонанса, рассчитывая пьезоэлементы так, чтобы их собственные частоты не были звуковыми. В противном случае колебания резонансной частоты воспроизводились бы гораздо громче прочих, то есть наблюдались бы искажения.
Наибольшее распространение получили пьезокварцевые резонаторы. Упругость кварца такова, что при размерах, исчисляемых миллиметрами и сантиметрами, собственные частоты кварцевых пластинок лежат в пределах от тысячи до многих миллионов колебаний в секунду. А как раз эти частоты широко применяются в одной из важнейших технических отраслей – в радиотехнике.
Благодаря высоким упругим свойствам кварцевая пластинка представляет собой весьма совершенную механическую колебательную систему, для которой характерны очень малые потери энергии. Такая система, если её привести в колебательное движение, успевает совершить сотни тысяч колебаний, прежде чем вся энергия израсходуется на преодоление сопротивления окружающей среды и трения в опорах. Для сравнения укажем, что обычный маятник после толчка делает только несколько сотен или даже десятков колебаний.
Благодаря высокой химической и температурной устойчивости кварца собственная частота кварцевого резонатора исключительно постоянна. Если кварцевую пластинку нагреть или охладить на один градус, то её собственная частота изменится всего на несколько десятитысячных, а иногда даже стотысячных долей процента.
В современной радиотехнике предъявляются очень высокие требования к устойчивости или, как говорят чаще, к стабильности частоты электрических колебаний.
Такие требования были продиктованы самой жизнью.
Для каждой радиостанции отводится своя рабочая частота. Радиослушатель, настраивая приёмник на частоту какой-либо определённой станции, слушает только её передачу, так как вследствие резонанса приёмник воспринимает лишь те колебания, на частоту которых он настроен.
По мере развития радиовещания и связи количество действующих радиостанций всё более и более увеличивается. В эфире становится «тесно». Если стабильность частот недостаточно высока, радиостанции могут «наезжать» друг на друга, создавать взаимные помехи. При этом радиослушатель слышит одновременно передачи двух или нескольких станций, сопровождающиеся свистами и искажениями. Радиотехники стали изыскивать способы повышения стабильности. И наиболее эффективным из этих способов оказалась кварцевая стабилизация, то есть стабилизация с помощью кварцевых резонаторов.
Современная радиостанция представляет собой чрезвычайно сложное устройство. Однако в её работе много общего с работой обыкновенного часового механизма.
Возьмём часы. Положим, что пружина в них не заведена. В этом случае, качнув маятник, можно наблюдать постепенное уменьшение размаха его колебаний. Это затухание, как мы уже говорили, объясняется потерями энергии на трение в опорах и на сопротивление колебательному движению маятника со стороны окружающей среды.
Заведём пружину. Она стремится восстановить первоначальную форму. Сила упругости, стремящаяся раскрутить пружину, с помощью особого механизма передаётся маятнику и поддерживает его колебания. Поэтому часовой маятник колеблется до тех пор, пока пружина не раскрутится, и запас энергии, заключённый в ней, не уменьшится до известного предела.
Таким образом в часах происходит преобразование энергии, которая запасена заведённой пружиной, в энергию механических колебаний маятника.
Аналогичное явление имеет место и в радиопередатчике. Там происходит преобразование энергии постоянного тока, вырабатываемого источниками питания (аккумуляторами, динамомашинами и т. д.), в энергию электрических колебаний. Роль пружины играет здесь источник постоянного тока, а роль маятника – электрическая колебательная система, в качестве которой может использоваться пьезокварцевая пластинка.
Частота вырабатываемых, или, как принято говорить, генерируемых радиопередатчиком мощных электрических колебаний практически равна собственной частоте кварцевого резонатора. Но так как последняя отличается очень высокой стабильностью, стабилизируется и рабочая частота радиостанции.
В этом и заключается принцип кварцевой стабилизации.
Другим эффективным способом уплотнения эфира явилось применение пьезокварцевых фильтров в радиоприёмных устройствах. По мере сближения рабочих частот радиопередающих станций выделить желаемую программу и отстроиться от помех со стороны соседних по частоте передатчиков становится всё труднее и труднее. Как раз для этой цели и предназначены кварцевые фильтры, которые пропускают токи определённой частоты и задерживают токи всех остальных частот. Простейшим фильтром служит электрическая колебательная система.
Чем меньше потери энергии в колебательной системе, тем больше размах колебаний при резонансе и тем лучше выделяются колебания резонансной частоты. Про такую колебательную систему говорят, что она обладает высокими резонансными свойствами.
Мы уже указывали, что наименьшие потери энергии по сравнению с любой другой механической или электрической колебательной системой имеет кварцевый резонатор. Следовательно, его резонансные свойства наиболее высоки, и он может выделить передачу станции, на частоту которой настроен, даже при наличии очень близких по частоте «соседей».
Устройство, содержащее кварцевые резонаторы и предназначенное для повышения «избирательности» радиоприёмника, называется кварцевым фильтром.
Такие фильтры были созданы и описаны советским инженером Я. И. Эфрусси в 1931 г. Небезынтересно отметить, что спустя три года в США появилось сообщение об «изобретении» кварцевого фильтра американцем Мэзоном. Между тем кварцевый фильтр Мэзона – это тот же фильтр Я. И. Эфрусси.
Кварцевые фильтры применяются не только в радиоприёмниках, но и в проводной связи (телефон, телеграф). Они позволяют вести по двум проводам десятки переговоров одновременно.
* * *
Таковы основные применения пьезоэлектрического эффекта. В заключение остановимся на том, как развивается и растёт пьезоэлектрическая техника, какие проблемы стоят перед ней.
Новое в пьезоэлектрической технике
Пьезоэлектрическая техника развилась в самостоятельную техническую отрасль в годы, предшествовавшие второй мировой войне. Этому во многом способствовал бурный рост радиотехники. Во время войны ежегодный выпуск кварцевых пластинок, предназначенных для работы в различных радиоприборах, исчислялся миллионами штук.
С каждым годом потребность в кварцевых пластинках продолжает расти. Неудивительно поэтому, что уже с первых своих шагов пьезоэлектрическая техника столкнулась с проблемой нехватки сырья.
Природные запасы кристаллов кварца ограничены. Добыча кварцевого сырья очень трудоёмка. Но дело не только в этом. Если внимательно рассмотреть кристалл кварца, то в его толще можно обнаружить множество дефектов. Особенно часты пузырьки, трещины, включения других минералов. Нередко кристалл состоит из нескольких сросшихся между собой частей с различно направленными координатными осями. Поэтому только незначительная часть объёма кварцевого кристалла пригодна для производства пьезоэлектрических пластинок. Так, например, в кристаллах высшего (уникального) сорта для изготовления пластинок может быть использовано лишь 20 % объёма. А в кристаллах самого низкого (третьего) сорта используется всего 1–2% объёма.
Всё это заставило учёных подумать об искусственном выращивании кварцевых кристаллов.
Уже довольно давно люди научились получать искусственные рубины и сапфиры. Поэтому казалось, что выращивание искусственного (синтетического) кварца не должно вызвать особых затруднений. Однако первые же опыты, проведённые в начале нашего столетия, показали, насколько трудна эта задача. Синтетические кристаллы кварца получались столь мелкими, что об их практическом применении не могло быть и речи. Только совсем недавно ценой многолетних настойчивых поисков и многочисленных опытов удалось получить искусственные кристаллы, пригодные для промышленных целей.
Выращивание синтетических кристаллов кварца производится в специальных герметических (воздухонепроницаемых) резервуарах – автоклавах – при высоких температурах и под большими давлениями.
По своему качеству пьезоэлектрические пластинки, изготовленные из синтетических кристаллов кварца, не уступают пластинкам из природного кварца.
Однако искусственные кристаллы пока ещё дороги, размеры их не удовлетворяют производственных потребностей. Поэтому одной из самых важных задач, стоящих перед пьезокварцевой техникой, является создание более совершенных способов выращивания искусственных кристаллов кварца. Не подлежит сомнению, что такие способы будут разработаны в недалёком будущем.
Другая проблема пьезоэлектрической техники – это создание дешёвого искусственного пьезоэлектрика, способного заменить кварц в некоторых областях применения. В решении этой проблемы также уже сделаны первые успешные шаги. В годы Великой Отечественной войны были созданы новые синтетические кристаллы, близкие по своим свойствам к кристаллам кварца. Среди них особый интерес представляет кристаллическое вещество сложного химического состава – этилендиаминтартрат.
Этилендиаминтартрат растворим в воде, однако значительно более влагостоек, чем, например, сегнетовая соль. По механической прочности он уступает кварцу, но зато превосходит его по силе пьезоэлектрического эффекта.
Собственная частота резонаторов из этилендиамин-тартрата так же, как и кварцевых резонаторов, мало зависит от температуры; отклонение частоты при нагреве или охлаждении резонаторов из сегнетовой соли в тысячи раз больше.
Благодаря своим достоинствам этилендиаминтартрат начинает находить практическое применение, главным образом, в фильтрах для радиотелефонии.
Резонаторы из этилендиаминтартрата могут быть использованы и для стабилизации частот радиопередатчиков в тех случаях, когда требования к устойчивости частоты колебаний не слишком велики. Некоторые типы пьезоэлектрических резонаторов имеют довольно большие размеры (до 10 см) и для их изготовления требуется много сырья. В этом случае применение дешёвых кристаллов этилендиаминтартрата представляет особенный интерес.
Были предприняты и поиски заменителей сегнетовой соли. Сегнетовая соль при всей её дешевизне имеет, как уже говорилось, ряд крупных недостатков. Она хрупка, отличается малой влагостойкостью, низкой температурой плавления и т. д. Требовалось найти дешёвые синтетические кристаллы, которые, с одной стороны, были бы близки к сегнетовой соли по силе пьезоэлектрического эффекта, а с другой стороны, не имели её недостатков.
Такие кристаллы были найдены. Это дигидрофосфат аммония – кристаллическое вещество со сложным химическим составом, которое обладает довольно сильным пьезоэлектрическим эффектом, отличается достаточно высокой механической прочностью, плавится при температуре около 190° Ц и сохраняет неизменность свойств при нагревании до 100°. Дигидрофосфат аммония растворим в воде, однако, в противоположность сегнетовой соли, влагостоек и может подолгу находиться во влажном воздухе.
Поэтому в последнее время дигидрофосфат аммония начинает вытеснять сегнетовую соль. Во время второй мировой войны пластинки из кристаллов этого вещества стали применять в излучателях ультразвука. Недавно в Советском Союзе были разработаны конструкции пьезоэлектрических микрофонов, звукоснимателей и других приборов с пьезоэлементами из дигидрофосфата аммония.
По мере развития пьезоэлектрической техники непрерывно совершенствуются методы производства и конструкции пьезоэлементов и резонаторов.
Так, до последнего времени в пьезоэлектрических резонаторах применялись накладные электроды в виде плоских металлических пластин. Теперь электроды делают в виде тонкого серебряного или золотого слоя, нанесённого на поверхность пластинки. Такая конструкция резонатора значительно улучшает его резонансные свойства.
Высококачественные кварцевые резонаторы собираются в стеклянных или металлических баллонах, из которых откачивается воздух. Такие резонаторы называются вакуумированными. Они отличаются исключительно высокими резонансными свойствами, так как разреженный воздух оказывает меньшее сопротивление колебаниям пластинки.
Внешний вид вакуумированного резонатора с электродами в виде тонкого металлического слоя показан на рис. 31.
Рис. 31. Внешний вид вакуумированного резонатора с электродами в виде тонкого металлического слоя.
В современном пьезокварцевом производстве широко применяется автоматика. Так, например, шлифовка пластин производится на специальных плоскошлифовальных станках-автоматах.
Большие успехи достигнуты и в разработке электрических приборов с пьезорезонаторами. Созданы источники электрических колебаний с кварцевой стабилизацией, обладающие исключительно высокой стабильностью. Частота колебаний, создаваемых подобным источником, в течение месяца изменяется всего на несколько миллионных долей процента.
Такие высокостабильные генераторы электрических колебаний называют стандартами или эталонами частоты. С их помощью можно определять не только частоту, но и время.
Существуют так называемые синхронные электромоторы, отличительной особенностью которых служит строгая зависимость числа оборотов в минуту от частоты переменного электрического тока, питающего мотор. Если частота подводимого к мотору тока строго постоянна, то строго постоянно и число оборотов в единицу времени.
Предположим, что синхронный электромотор соединён с зубчатым механизмом, вращающим часовые стрелки. Ясно, что точность таких часов будет зависеть от того, насколько стабильна частота переменного тока. Если к синхронному мотору подвести переменный ток, создаваемый стандартом частоты, то часы будут спешить или отставать всего на несколько десятитысячных долей секунды в сутки.
С обычными часами получить такую точность невозможно. Вот почему стандарты частоты применяются для особо точного измерения времени.
Мы рассмотрели далеко не все достижения современной пьезоэлектрической техники. Но и приведённые нами примеры свидетельствуют о её бурном росте и большом будущем.
Когда-то пьезоэлектрический эффект считали лишь «научным курьёзом». Жизнь опровергла это ошибочное мнение. «Научный курьёз» превратился в мощное орудие практики, положил начало новой технической отрасли.
Несомненно, что в области пьезоэлектричества будет сделано ещё немало новых открытий, ибо человеческое познание беспредельно.
В Советском Союзе созданы небывалые условия для развития науки и техники. Работа советских учёных и инженеров посвящена благородной задаче строительства коммунизма. Поэтому всемерное внедрение пьезоэлектрических приборов в народное хозяйство нашей страны – главнейшая задача специалистов пьезоэлектрической техники.
