Текст книги "Чудесные кристаллы"
Автор книги: В. Рачков
сообщить о нарушении
Текущая страница: 3 (всего у книги 5 страниц)
ГИДРОЛОКАТОР СЕГОДНЯ
Гидролокатору, сконструированному Ланжевеном и его сотрудниками, не было суждено принять участия в борьбе с немецкими подводными лодками: первая мировая война к этому времени уже закончилась. Однако работы по усовершенствованию средств обнаружения подводных лодок не прекращались.
За короткий исторический срок подводные лодки стали ведущим родом военно-морских сил. В результате бурного развития науки и техники чрезвычайно выросли возможности подводного флота. Атомные подводные лодки, например, могут плавать по всем морям и океанам, неделями не всплывая на поверхность. Значительно увеличились скорость и глубина погружения подводных лодок. Их стали вооружать атомным и ракетным оружием.
Усиление мощи подводных лодок заставило непрерывно совершенствовать средства борьбы с ними и в первую очередь средства обнаружения. На помощь гидролокатору пришла радиолокация. Появились и другие приборы для обнаружения подводных лодок.
Однако по-прежнему одним из основных средств поиска и обнаружения подводных лодок остается гидролокатор. Только гидролокационные приборы могут обнаружить подводную лодку, совершенно невидимую на поверхности воды.
Современные гидролокационные станции прошли большой путь непрерывных усовершенствований и стали малопохожими на своих предшественниц.
Рис. 24. Устройство пьезоэлектрического вибратора
Для увеличения мощности излучатель современного гидролокатора имеет уже несколько слоев пьезоэлектрической мозаики. Каждый слой находится между стальными электродами, которые одновременно служат и мембранами излучателя. Слои мозаики и электроды склеены между собой специальным клеем и помещены в металлический корпус (рис. 24). Чтобы противостоять ржавчине, корпус излучателя изготовлен из специального сплава меди, никеля и алюминия, называемого куниалом.
Для излучения ультразвука только в одном направлении на одном из внешних электродов ставят резиновую заглушку, не пропускающую звуковых волн. В некоторых случаях вместо резиновой заглушки между корпусом и электродом оставляют воздушную прослойку.
Для получения более узких пучков ультразвуковых волн за рубежом в гидролокаторах применяется специальное устройство, называемое отражателем или рефлектором. Пьезоэлектрический излучатель помещают в центре отражателя (рис. 25). Звуковые или ультразвуковые волны, излучаемые вибратором, отражаясь от стенок отражателя, образуют узкий пучок лучей. Дальность действия гидролокатора при этом увеличивается.
Преобразователь гидролокатора помещается в специальном устройстве, называемом обтекателем, и устанавливается в носовой части днища корабля (рис. 26). Обтекатель уменьшает помехи, вызываемые завихрениями воды, а также предохраняет вибратор от повреждений в случае ударов о подводные препятствия.
Рис. 25. Рефлектор позволяет создать узкий пучок звуковых лучей
Рис. 26. Обтекатель гидролокатора
Рис. 27. Чаще всего обтекатель делают каплеобразной формы
Рис. 28. Обтекатель помещается в специальной шахте и может опускаться и подниматься
Чтобы уменьшить завихрения, обтекатель делают каплеобразной, обтекаемой формы (рис. 27). Отсюда и появилось название обтекатель. Обтекатель с преобразователем называют акустической системой.
Чаще всего обтекатель с преобразователем может выдвигаться и убираться в специальную шахту внутри корабля. Дело в том, что при движении корабля на его днище образуются воздушные пузырьки, затрудняющие прохождение ультразвука. С удалением от корпуса корабля число пузырьков уменьшается. Бот почему обтекатель и делают выдвигающимся (рис. 28).
Чем мощнее колебания излучателя, тем больше дальность действия гидролокатора, а следовательно, и дальность обнаружения подводной лодки. Для создания мощных колебаний необходимо к электродам излучателя подключать электрическое напряжение значительной величины, которое создается специальным генератором. При работе гидролокатора на передачу преобразователь подключается к генератору. В паузах между очередными посылками ультразвука преобразователь подключается к усилителю. Роль переключателя выполняет реле приема – передачи (рис. 29).
Принятые эхосигналы усиливаются усилителем и преобразуются из неслышимых ультразвуков в обычные звуки, которые прослушиваются при помощи репродуктора или телефонных наушников. В современных гидролокаторах принятые сигналы можно еще просмотреть на экранах электронно-лучевых трубок. Упрощенная схема гидролокатора приведена на рис. 29.
По данным зарубежной печати, для поиска подводных лодок применяются вертолеты с опускающимися на длинном стальном троссе акустическими системами (рис. 30). Все остальные приборы гидролокатора находятся в кабине вертолета. Совершая полет над водной поверхностью, вертолет время от времени зависает, опускает акустическую систему и обследует подводное пространство.
Гидролокатор есть и на подводной лодке. Здесь он используется для измерения расстояния до цели, по которой производится торпедная атака. Кроме того, гидролокатор предупредит подводную лодку о минном заграждении или другом подводном препятствии.
Рис. 29. Упрощенная схема гидролокатора
Рис. 30. Использование гидроакустических приборов с вертолета
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!
И снова на помощь приходит пьезоэлектричество. Ведь микрофоны громкоговорящей связи, соединяющей командира и гидроакустика, тоже используют это явление.
В пьезоэлектрических микрофонах – приборах, служащих для превращения звука в электрические колебания звуковой частоты, применяются биморфные элементы, работающие на изгиб. Микрофон может состоять из одного или двух элементов. Для повышения чувствительности к пьезоэлементу иногда присоединяют металлическую диафрагму (рис. 36).
Существует еще одна область электроакустики, где широко применяются пьезоэлектрические устройства. Это запись звука и в частности звукосниматели для передачи и воспроизведения граммофонной записи.
Рис. 36. Пьезоэлектрический микрофон с диафрагмой
Граммофонная пластинка состоит из еле видимых бороздок с извилинами. Это записан звук. Для воспроизведения его по бороздкам движется игла звукоснимателя. Следуя по извилинам, игла колеблется со звуковой частотой. Колебания иглы передаются пьезоэлектрической пластинке и преобразуются в электрический ток такой же частоты. Впоследствии ток усиливается и поступает на громкоговоритель.
Обычно в пьезоэлектрических звукоснимателях применяют один биморфный элемент, работающий на кручение. Однако существуют звукосниматели и с пьезоэлементом изгиба.
УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЭХОЛОТ
Работы над пьезоэлектричеством и ультразвуком натолкнули ученых на мысль об использовании гидролокатора в качестве эхолота – прибора для измерения глубины моря.
Раньше глубину моря определяли обыкновенным тросом, на конце которого был прикреплен груз. Лот – так называлось это приспособление – опускался с борта корабля до соприкосновения груза с морским дном. По длине опускаемой части лота и судили о глубине моря.
Ясно, что такие измерения занимали очень много времени, особенно при больших глубинах моря. Точность определения глубины была чрезвычайно низка, так как за время опускания и подъема лота корабль сносило на значительное расстояние. Кроме того, при помощи лота нельзя было определять глубину на ходу корабля.
Всех этих недостатков лишен эхолот. Этот прибор похож на гидролокатор. Различие состоит в том, что ультразвуковой луч эхолота направлен вертикально вниз, к морскому дну. Как и у гидролокатора, пьезоэлектрический излучатель эхолота посылает ультразвуковые сигналы, а в паузах между посылками принимает отраженное от дна эхо (рис. 37, а).
Посылки производятся через определенные промежутки времени. Момент посылки регистрируется на специальной ленте, которая движется с постоянной скоростью. Отраженный от дна эхосигнал принимается, усиливается и также регистрируется на этой ленте (рис. 37, б). Чем больше расстояние между двумя отметками, тем больше глубина моря в той точке, где производилось измерение. На ленте нанесен специальный масштаб, а скорость движения пера, ставящего метки на бумаге в момент прихода эхосигналов, пропорциональна скорости распространения звука в воде. Ультразвуковой луч может нащупать малейшее изменение рельефа морского дна. Поэтому по записи на ленте определяют глубину моря.
Рис. 37. Ультразвуковой эхолот:
а – принцип действия; б – лента эхолота с записью
При помощи эхолота в настоящее время составлены подробные карты морских глубин, по которым корабль может определить свое местоположение в море.
Точность работы эхолота достаточно велика: с его помощью, например, удалось обнаружить лежащий на дне большой океанский пароход «Лузитания», потопленный немецкой подводной лодкой во время первой мировой войны. На рис. 38 приведена лента с записью эхолота. На фоне ровного профиля морского дна четко вырисовывается силуэт корабля с надстройками.
Рис. 38. Запись эхолота, на которой видны контуры затонувшего корабля
Эхолот с успехом применяется в рыбном промысле. Установлено, что рыбы отражают ультразвук. Это дает возможность при помощи эхолота обнаруживать в море или океане косяки рыб.
Ранее уже упоминалось, что рыбы погибали от ультразвука. Но те опыты проводились в бассейне с мощными источниками ультразвука, действующего на рыб на небольшом расстоянии в течение длительного времени. Рыбам в море такая опасность не грозит.
ЕЩЕ ОДНО ЧУДЕСНОЕ СВОЙСТВО
Замечательные свойства пьезокристаллов обусловили их широкое применение и в ряде других отраслей, например в радиолокации.
В основу радиолокации положен тот же принцип, что и в гидролокации, т. е. принцип отражения эхо-сигналов. Только здесь применяются уже не ультразвук, а радиоволны. Они излучаются передатчиком и при помощи антенны узким пучком направляются в пространство. В паузах между излучениями к антенне подключается приемник, который усиливает отраженные от целей радиоволны и направляет их в индикатор. В индикаторе принятые сигналы просматриваются на экранах электронно-лучевых трубок, а по времени прихода отраженных сигналов определяется расстояние до цели (рис. 39).
Рис. 39. Принцип работы радиолокатора
Так коротко можно объяснить работу радиолокатора. Однако за каждым названием отдельных узлов радиолокационной станции, таких, как передатчик, индикатор и другие, скрыты тысячи разнообразных и остроумных устройств и деталей. И все они работают в строго согласованном порядке. Такое согласование в радиолокации называется синхронизацией, а прибор, согласующий работу отдельных блоков и устройств, – синхронизатором.
Синхронизатор – это «командир» радиолокационной станции (рис. 40). Без его «приказа» не начнет работать ни одно устройство. На остановку работы того или иного блока также требуется «разрешение» синхронизатора.
«Приказы» синхронизатора представляют собой электрические сигналы, следующие друг за другом с чрезвычайно постоянной частотой. Стоит лишь немного измениться частоте следования этих сигналов, как работа всей станции нарушится.
Как же создать такое постоянство, или, как чаще говорят, стабильность частоты следования электрических сигналов?
Рис. 40. Упрощенная схема радиолокационной станции
На помощь пришло пьезоэлектричество. Оказалось, что наиболее эффективным из всех способов повышения стабильности частоты является кварцевая стабилизация, а точнее – стабилизация при помощи кварцевых резонаторов.
Прежде всего вспомним основные законы колебательного движения. Для этого обратимся к обыкновенному маятнику – небольшому грузику, подвешенному на качающемся стержне или нитке. Достаточно слегка качнуть его, как начнутся постепенно затухающие колебания. Частота таких колебаний зависит только от размеров маятника и называется собственной.
Почему колебания затухают? Куда расходуется энергия, которую мы сообщили грузику, толкнув его? Ответ прост: на трение и преодоление сопротивления движению маятника со стороны окружающей среды. Встречая эти силы при своем движении, маятник постепенно, порцию за порцией, отдает весь сообщенный ему запас энергии – колебания затухают, маятник останавливается.
Подобно маятнику колебательной системой является тонкая кварцевая пластинка, снабженная электродами. Однако по сравнению с любым маятником кварцевая пластинка представляет собой куда более совершенную колебательную систему. Маятник после толчка может еще колебаться десятки раз. А если заставить колебаться кварцевую пластинку, то она проделает сотни тысяч колебаний, прежде чем израсходует свою энергию.
Но что самое примечательное: собственная частота пластинки при этом остается строго постоянной, даже если ее нагревать или охлаждать.
Например, если нагреть пластинку на один градус, частота изменится всего лишь на одну стотысячную долю процента. Вот почему для стабилизации частоты используется пьезокварц. Благодаря своим упругим свойствам, высокой температурной и химической устойчивости кварцевая пластинка наиболее совершенна из всех колебательных систем.
Как же привести кварцевую пластинку в колебательное движение? Если маятник начинает двигаться от толчка руки, то здесь «толчок» создается переменным электрическим током, подведенным к электродам. Переменный ток создает периодические сжатия и растяжения – кварцевая пластинка колеблется. Не любой переменный ток способен возбудить собственные колебания пластинки. Это делает только ток, частота которого совпадает с частотой собственных колебаний пластинки или близка к ней.
Возвратимся к радиолокационной станции. Как в ней осуществляется синхронизация?
Главной частью синхронизатора станции является так называемый задающий генератор, вырабатывающий электрический ток строго постоянной частоты. В одну из цепей генератора включена кварцевая пластинка. Частота вырабатываемого тока равна собственной чистоте пластинки.
Если по какой-либо причине частота генератора изменится, кварцевая пластинка будет продолжать колебаться с прежней частотой. Эти колебания будут навязаны и генератору, частота колебаний которого возвратится к прежней величине. Иначе говоря, кварцевая пластинка будет стабилизировать частоту генератора.
Рис. 41. Высокостабильный кварцевый резонатор
Переменный ток, выработанный задающим генератором, преобразуется в электрические сигналы специальной формы. Эти сигналы поступают в другие блоки радиолокационной станции и синхронизируют ее работу.
Собственная частота кварцевой пластинки определяется ее размерами, главным образом толщиной. Чем тоньше пластинка, тем выше ее частота.
Кварцевая пластинка снабжается электродами и помещается в герметический корпус. Такое устройство и называется кварцевым резонатором, или стабилизатором.
В некоторых случаях, когда необходима очень высокая стабильность частоты, кварцевую пластинку помещают в стеклянный или металлический баллон, из которого выкачивают воздух (рис. 41). В таких резонаторах колебания исключительно постоянны, так как разреженный воздух оказывает меньшее сопротивление колебаниям пластинки.
Кварцевая стабилизация частоты применяется не только в радиолокации. Не менее важна она в радиосвязи и радиовещании, где стабилизируются мощные электрические колебания радиопередатчиков.
Включите радиоприемник и поверните ручку настройки. Даже за небольшой поворот вы услышите работу нескольких десятков станций. Однако, настроив приемник на частоту какой-либо определенной станции, вы слушаете только ее передачу. Но что произойдет, если частоты работающих станций не будут стабильны? Радиостанции будут создавать взаимные помехи, «наезжать» друг на друга. В этом случае нечего и говорить о хорошем приеме.
Резонансные свойства пьезокварца используются и в радиоприемных устройствах. Здесь применяют кварцевые фильтры.
Если на вход приемника подключена кварцевая пластинка, в него попадут только те электрические колебания, частоты которых совпадают с резонансной частотой пластинки. Все остальные колебания будут отсеены. А раз так, то качество приема будет наилучшим. Про такой приемник говорят, что он обладает высокой избирательностью.
