Этим не ограничиваются замечательные свойства кварцевой пластинки. Оказывается, что если ее противоположные грани заряжать разноименным электричеством, то в такт изменениям знаков зарядов меняется и форма пластинки: пластинка делается то толще, то тоньше.
Поместим пластинку в газ или жидкость. При утолщении пластинки грани ее, двигаясь наподобие поршня в цилиндре паровой машины, подожмут вещество, в которое она погружена. При сжатии же пластинки, наоборот, вблизи ее поверхности образуется разрежение. Повторяющиеся изменения формы пластинки вызовут в окружающем ее веществе возникновение чередующихся сжатий и разрежений. Сжатия и разрежения, распространяясь в пространстве, и создадут волну. Пластинка явится источником волн — излучателем (рис. 7).
Изменения формы пластинки можно производить с любой частотой, для этого достаточно с соответствующей скоростью изменять знаки электрических зарядов на ее гранях.
Известный советский физик Сергей Яковлевич Соколов заставил кварцевую пластинку совершать миллиарды колебаний в секунду, однако и это не является пределом.
Надо помнить, что изменение размеров кварцевой пластинки очень невелико. Если к кварцевой пластинке, подвести электрическое напряжение, скажем, в 1000 вольт, то толщина пластинки увеличится или уменьшится лишь на 2 десятимиллионные части сантиметра; это расстояние ничтожно мало, на нем могло бы уложиться всего 10–15 атомов.
Но можно увеличить размах колебаний пластинки.
Проделаем такой опыт: привязав к нитке небольшую гирьку, заставим ее совершать колебания. По секундной стрелке часов заметим тот момент, когда гиря пройдет через положение равновесия, и, отсчитав 20 качаний, узнаем, сколько для этого требуется времени. Затем, толкнув гирю посильнее, увеличим размах ее колебаний. Окажется, что и при большем размахе для 20 колебаний потребуется ровно столько же времени. В нашем опыте гирька совершала свободные колебания, и мы убедились, что частота свободных, или, как говорят, собственных, колебаний тела не зависит от размаха, или, что то же, от амплитуды колебаний.
Но от чего же зависит частота собственных колебаний?
Достаточно укоротить или удлинить нить, на которой висит гиря, как частота собственных колебаний гирьки изменится. Чем короче подвес, тем больше будет частота колебаний.
Каждое колеблющееся тело обладает характерной для него частотой собственных колебаний. Так, например, если толкнуть качели, они начнут раскачиваться с совершенно определенной частотой. Подталкивая их, можно увеличить размах качаний. Чтобы сделать размах качаний особенно большим, надо, как вы знаете, подталкивать качели «в такт» их колебаниям, то есть с той частотой, с которой они совершают колебания, будучи предоставлены самим себе. Эту частоту называют резонансной частотой. Всякое колеблющееся тело имеет свою собственную резонансную частоту. В тех случаях, когда вызывающая колебания сила изменяется с резонансной частотой, размах совершаемых телом колебаний делается особенно большим. История знает случай, когда небольшой отряд солдат, проходя по мосту и четко отбивая шаг, случайно попал в резонанс с колебаниями моста, В результате резонанса колебания моста настолько возросли, что мост разрушился.
Если смену электрических зарядов на гранях кварцевой пластинки производить с резонансной частотой, то при том же самом электрическом напряжении размах колебаний возрастет и мощность ультразвука увеличится.
Каждая пластинка имеет свою собственную резонансную частоту.
Чем тоньше пластинка, тем выше ее резонансная частота. У пластинки толщиной в 1 миллиметр она составляет 2,88 миллиона колебаний в секунду, а при толщине 0,5 миллиметра — 5,76 миллиона колебаний в секунду. Можно изготовить пластинку тоньше папиросной бумаги. Резонансная частота такой пластинки будет очень велика, но столь тонкие пластинки очень непрочны, и их редко употребляют.
Итак, мы видим, что для получения ультразвука исключительно большое значение имеют пластинки, обладающие пьезоэлектрическими свойствами. Поэтому посвятим несколько слов тем материалам, из которых они изготовляются.
Кварц является одним из самых распространенных минералов. Обычный песок состоит из маленьких крупинок кварца. Часто встречается кварц и в булыжнике, которым до сих пор еще мостят дороги. Если песок нагреть до очень высокой температуры, то он сплавится, образуя прозрачное кварцевое стекло, которое широко применяется в химических лабораториях.
Казалось бы, недостатка в материале для постройки излучателей ультразвука нет.
На самом деле это не так.
Кварцевое стекло пьезоэлектрическими свойствами не обладает и потому не может быть использовано для устройства излучателей ультразвуковых волн.
Пьезоэлектрическими свойствами обладают только кристаллы кварца; но крупные кристаллы этого минерала встречаются очень редко, и пластинки с большой поверхностью поэтому дороги.
Замечательным достижением науки является разработанный недавно способ искусственного выращивания больших кристаллов кварца. Выяснилось, что их можно выращивать так же, как выращивают кристаллы поваренной соли, квасцов и других растворимых в воде веществ.
На первый взгляд может показаться странным, каким образом из такого стойкого, нерастворимого в воде материала, как песок или булыжник, выращивают красивые кристаллы горного хрусталя — кварца. Конечно, при обычных условиях это сделать невозможно.
Для этого в специальный толстостенный сосуд, наполненный водным раствором некоторых химических веществ, подвешивают на нити палочку из кварцевого стекла, а ниже помещают маленький кристаллик кварца (рис. 8). Сосуд закрывается, и температура в нем поднимается несколько выше 350° C; при этом давление в сосуде сильно возрастает.
При таких условиях палочка из кварцевого стекла растворяется в воде, а молекулы кварца, перешедшие в раствор, вновь выделяются на кристаллике, увеличивая его размеры. Часть растворенного кварца оседает на стенках сосуда, покрывая их слоем маленьких кристалликов. Примерно за 18 часов палочка успевает полностью раствориться. После этого сосуд открывают и подвешивают туда новую палочку. Повторяя подобную операцию 4–5 раз, удается вырастить кристалл размером в несколько сантиметров; такие кристаллы уже пригодны для изготовления пьезоэлектрического излучателя.
Дальнейшее усовершенствование этого способа позволит изготовлять кварцевые пластинки еще бóльших размеров.
Для устройства излучателя ультразвука могут применяться также кристаллы сегнетовой соли, фосфата аммония и некоторых других веществ.
Кроме того, недавно советские физики получили новые вещества, так называемые титанаты, обладающие огромным пьезоэлектрическим эффектом. Особенно большие перспективы имеет использование для получения ультразвука титаната бария. Титанат бария не обладает от природы пьезоэлектрическими свойствами, но ему их можно придать, так же как сталь, не являющуюся естественным магнитом, можно намагнитить и приготовить из нее искусственный магнит.
Поскольку пьезоэлектрические свойства титаната бария создаются искусственно, мы можем приготовить излучатель любой формы и заставить его совершать необходимые нам колебания.
Например, из титаната бария можно изготовить трубу и добиться того, чтобы ультразвуковые волны, излучаемые стенками этой трубы, направлялись внутрь нее.
Таким образом, заставив стенки трубы колебаться, мы подвергнем протекающую по ней жидкость действию мощных ультразвуковых волн.
На рис. 9 изображен излучатель из титаната бария в форме цилиндра. Острие, которым снабжен с одного конца цилиндр, концентрирует ультразвуковые колебания, делая их очень интенсивными. Смещение острия этого вибратора во время колебаний составляет уже около 5 тысячных долей миллиметра.
В то время когда Ланжевен конструировал свой прибор, выращивать искусственные кристаллы кварца еще не умели. Не знали и об удивительных свойствах титаната бария. Приходилось довольствоваться небольшими кристаллами кварца, которые встречались в природе.
Стремясь получить резко ограниченный ультразвуковой луч, который легко направлять, Ланжевен наклеил на стальной лист целую мозаику из небольших кварцевых пластинок, а сверху положил второй стальной лист, получив излучатель, изображенный на рис. 10. Теперь для того, чтобы получить мощный ультразвуковой луч, осталось только подвести к пластинкам разноименные электрические заряды, знаки которых непрерывно менялись бы.
Автоматическое изменение знаков зарядов на поверхностях кварцевой пластинки в наше время достигается тем, что ее присоединяют к ламповому генератору, такому же, как генераторы, используемые при радиопередаче.
Схема простого пьезоэлектрического генератора изображена на рис. 11.
Если нужно получить ультразвук с частотой от 500 тысяч до одного миллиона колебаний в секунду, то катушку АС надо изготовить диаметром приблизительно 80 миллиметров и намотать медной проволокой с поперечником 2–3 миллиметра. Между точками А и В наматывают 3 витка, а между точками В и С — 6 витков. Расстояние между витками приблизительно 4 миллиметра. Кварцевая пластинка 6 располагается на металлическом основании, которое соединяется с клеммой