Пьезоэлектричество и ультразвук

Пьезоэлектричество и ультразвук

Свойство ультразвуковых волн отражаться от препятствия и возвращаться назад в виде эха используют для определения расстояния до труднодоступных объектов.

Известные в начале ХХ века механические источники ультразвуковых волн - камертоны и колеблющиеся стальные стержни, обладали большой мощностью, но не были способны посылать их узким направленным пучком, подобно световому лучу. Излучаемый ими ультразвук расходился в разные стороны. Из-за этого невозможно было определить направление, в котором находился исследуемый объект.

Но выход нашёл французский учёный Поль Ланжевен. В 1916 г., во время Первой мировой войны, он искал способ обнаружения подводных лодок с помощью ультразвука. И в качестве источника ультразвуковых волн он использовал пьезоэлектрическое явление, которое до этого не находило применения.

Открытие пьезоэлектричества

Пьезоэлектричество и ультразвук

Нажать на картинку

Пьезоэлектрический эффект был открыт в 1880 г. французскими учёными братьями Пьером и Полем Кюри во время исследования свойств кристаллов. Сжимая кристалл кварца с двух сторон, они обнаружили появление электрических зарядов на гранях, перпендикулярных направлению сжатия. Заряды на одной грани были положительными, а на другой - отрицательными. Такую же картину они наблюдали и при растяжении кристаллов. На той грани, где при сжатии появлялись положительные заряды, при растяжении возникали отрицательные, и наоборот.

Пьезоэлектричество и ультразвук

Пьер Кюри

Оказалось, что кроме кварца подобными свойствами обладают кристаллы турмалина, сегнетовой соли, сульфата лития, и другие кристаллы, у которых отсутствует центр симметрии. Это явление было названо пьезоэлектричеством, от греческого слова «пьезо» - давлю, а кристаллы, обладающие такими свойствами, - пьезоэлектриками.

При дальнейших исследованиях братья Кюри установили, что существует и обратный пьезоэлектрический эффект. Если создать электрические заряды разной полярности на гранях кристалла, то он сожмётся или растянется.

Вот это открытие и использовал в своих исследованиях Поль Ланжевен.

Пьезоэлектрический излучатель Ланжевена

Пьезоэлектричество и ультразвук

Поль Ланжевен

Если кварцевую пластинку подвергать механическому воздействию, то она электризуется. И наоборот, если менять с определённой частотой электрическое поле, в котором она находится, то она начнёт колебаться с такой же частотой.

А что будет, если для зарядки кристалла использовать электричество от источника переменного тока высокой частоты? Проделав такой опыт, Ланжевен убедился, что частота колебаний кристалла такая же, что и частота изменения напряжения. Если она ниже 20 000 Гц, кристалл становится источником звука, а если выше, он будет излучать ультразвуковые волны.

Но мощность ультразвука, излучаемого одной пластинкой кристалла, очень мала. Поэтому из кварцевых пластинок учёный создал мозаичный слой и поместил его между двумя стальными накладками, которые выполняли функции электродов. Для увеличения амплитуды колебаний использовалось явление резонанса. Если частота переменного напряжения, подаваемого на пьезокристалл, совпадала с его собственной частотой, то амплитуда его колебаний резко возрастала.

Эту конструкцию назвали «сэндвичем Ланжевена». И она оказалась очень удачной. Мощность излучения была достаточно большой, а пучок волн оказался узко направленным.

Позднее в качестве пьезоэлемента вместо кварцевых пластинок стали применять керамику из титаната бария, пьезоэлектрический эффект которого во много раз выше, чем у кварца.

Пьезоэлектрическая пластинка может быть и приёмником звука. Если звуковая волна встретит её на своём пути, то пластинка начнёт колебаться с частотой источника звука. На её гранях появятся электрические заряды. Энергия звуковых колебаний преобразуется в энергию электрических колебаний, которые улавливаются приёмником.