В. Рачков - Чудесные кристаллы
Волноводный щуп — металлический стержень, колебания которого передаются пьезоэлектрическому приемнику, с успехом применяется в качестве хирургического зонда. Колебания, возникающие при исследовании глубокого ранения, прослушиваются при помощи телефонов и позволяют судить о характере ранения.
Разработаны различные хирургические инструменты, оборудованные чувствительными пьезоэлектрическими устройствами. Например, пьезоэлектрический нож по характеру звука, слышимого в телефонах, дает возможность хирургу судить о том, какую ткань организма он разрезает.
В последнее время получили распространение пьезоэлектрические приборы для так называемой безножевой хирургии. Эти приборы создают ультразвуковые колебания такой высокой интенсивности, что с их помощью можно поражать участки живой ткани без нарушения соседних участков. На рис. 51 изображен кварцевый фокусирующий излучатель, применяемый для этих целей. Излучатель состоит из четырех кварцевых фокусирующих пластин, создающих ультразвуковые пучки очень высокой интенсивности.
Для лечения зубов созданы ультразвуковые бормашины. Зубная эмаль хорошо обрабатывается ультразвуком, причем менее болезненно, чем обычной бормашиной.
Существуют пьезоэлектрические приборы, позволяющие устанавливать диагноз заболеваний. При помощи ультразвуковых колебаний можно, например, исследовать бьющееся сердце и определить характер его заболевания. Применив высокие частоты и тонкие ультразвуковые лучи, можно даже проследить за колебаниями отдельных участков сердца.
В последнее время методы ультразвукового просвечивания живых тканей стали дополнять широко распространенные методы рентгенографии. Эти методы с успехом применяются в животноводстве для определения степени упитанности животных. Были предприняты успешные попытки использовать метод ультразвукового просвечивания злокачественных опухолей. Полученные результаты позволяют надеяться, что при помощи этого метода можно будет устанавливать наличие злокачественных опухолей на ранних стадиях их развития.
Рис. 51. Счетверенный кварцевый фокусирующий излучатель для безножевой хирургии
Нашли применение в медицине и методы ультразвуковой локации. Созданы, например, миниатюрные локаторы, позволяющие слепому ориентироваться относительно окружающих его предметов. Этот прибор состоит из ультразвукового излучателя и смонтированного вместе с ним ультразвукового пьезоэлектрического приемника. Батареи питания помещаются на поясе или в кармане, а излучатель и приемник человек держит в руке. Эхосигналы, отраженные от предметов, на которые направляется ультразвуковой луч, прослушиваются в телефонах. Таким способом слепой может обнаружить предметы, находящиеся на расстоянии до 10 метров.
НОВЫЕ УСПЕХИ
В нашем рассказе мы коснулись лишь немногих примеров практического применения пьезоэлектрических явлений. Но и они позволяют судить о том, какое большое влияние оказало пьезоэлектричество на развитие науки и техники, как это физическое явление помогло решить разнообразные актуальные задачи.
На этом можно было бы и закончить знакомство с пьезоэлектричеством. Но наш рассказ будет неполным, если мы не сообщим о некоторых новых областях применения и о будущем пьезоэлектрической техники.
Большие успехи достигнуты в разработке приборов, использующих пьезоэлектрический эффект в радиоэлектронике. Помимо многочисленных генераторов, стабилизаторов, преобразователей, фильтров, в настоящее время, по данным зарубежной печати, успешно разрабатываются пьезоэлектрические трансформаторы напряжений.
Рис. 52. Пьезоэлектрический трансформатор напряжения
Трансформатор напряжения — устройство, позволяющее повысить или понизить подводимое к нему электрическое напряжение. Обычные трансформаторы напряжений — довольно тяжелые и громоздкие приборы, размеры которых растут по мере повышения рабочего напряжения.
Пьезоэлектрический трансформатор напряжения лишен этих недостатков. Он состоит из двух стержней с разными пьезоэлектрическими свойствами (рис. 52). На электроды одного из них (входного) подается переменное электрическое напряжение. Механические колебания, возникающие в этом стержне, передаются выходному стержню. Поскольку пьезоэлектрические свойства стержней различны, то снимаемое с выходного стержня напряжение будет отличаться от подводимого. Обычно требуется повышать подводимое напряжение. Поэтому выходной стержень изготовляют из материала, обладающего значительным пьезоэлектрическим эффектом.
Еще большее усиление у так называемых гибридных трансформаторов. Здесь в качестве входного устройства используют магнитострикционный сердечник с обмоткой, на которую подается входное напряжение. Выходным устройством является пьезоэлектрический стержень с двумя электродами (рис. 53). Входное напряжение вызывает магнитострикционные колебания сердечника, которые передаются стержню. Такие трансформаторы могут обеспечить усиление подводимого напряжения в несколько сот раз.
Особенно велики успехи пьезоэлектричества в технических отраслях, связанных с использованием ультразвука. Здесь пьезоэлектричество применяется на каждом шагу. Без него не обойтись в излучателях и приемниках ультразвука, в фокусирующих линзах, в фильтрах и стабилизаторах частоты.
Рис. 53. Гибридный трансформатор напряжения
Области применения пьезоэлектричества продолжают расширяться. Помимо гидролокаторов и эхолотов, пьезоэлектрические приборы стали применяться и в других устройствах. В частности, пьезоэлектрические акселерометры являются основной частью инерциальной навигационной системы, устанавливаемой на подводных лодках зарубежных флотов. Считается, что такая система обеспечивает самую высокую точность определения места корабля в море. Система надежна в работе, не подвержена влияниям магнитных бурь, метеорологических условий и маневрирования корабля.
Работа такой инерциальной системы основана на измерении ускорений подводной лодки в трех направлениях при помощи акселерометров, которые установлены на строго стабилизированной в горизонтальной плоскости платформе. Измеренные акселерометрами ускорения поступают в специальные счетно-решающие приборы, которые определяют истинную скорость корабля, его координаты и отклонение от курса, вызванное ветром, течением, ударами волн.
Расширяется применение пьезоэлектрических датчиков. Современная космонавтика поставила перед учеными важнейшую задачу — изучить движение микрометеоров в космическом пространстве. Встреча космического корабля с микрометеором даже и небольшого размера грозит, неприятными последствиями. Но сведения о движении микрометеоров в космическом пространстве до самого последнего времени отсутствовали. Эту задачу успешно решили запуски спутников и космических ракет с установленными на них пьезоэлектрическими приемниками.
Сигналы, зарегистрированные приемниками, при помощи специальной аппаратуры передавались на Землю. Так было установлено, что метеорная опасность для космического корабля невелика. Пьезоэлектрические датчики, таким образом, способствовали успешному запуску и полету первых космических кораблей с человеком на борту, осуществленным в Советском Союзе.
Наряду с изысканием новых областей применения пьезоэлектричества в науке и технике идут поиски новых пьезоэлектриков. И это понятно. Ведь с каждым годом потребность в пьезоэлектрических приборах растет. Новые грандиозные задачи, поставленные перед наукой и техникой, требуют и новых пьезоэлектрических материалов, превосходящих по своим свойствам кварц, сегнетову соль и даже титанат бария.
Несмотря на свои положительные свойства, титанат бария обладает и недостатками. Это прежде всего то, что он при работе нагревается. Достаточно сказать, что коэффициент полезного действия излучателя из титаната бария составляет около 50 %, а это означает, что почти половина подводимой к излучателю энергии обращается в тепло. При сильном нагревании (80–90°) титанат бария теряет свои пьезоэлектрические свойства. Все это ограничивает его применение в излучателях. Поэтому в последнее время ведутся работы по созданию пьезокерамики по типу титаната бария, но с меньшими температурными потерями. Создание искусственных синтетических пьезоэлектрических материалов открывает новые возможности в этом направлении.
Большие успехи достигнуты в технологии производства пьезоэлектриков, в конструировании пьезоэлектрической аппаратуры. Однако и здесь стоят новые задачи, требующие напряженного творческого труда многих работников науки, техники и производства.
