Рис. 14. Мозаика, составленная из пластинок кварца.

Однако одна мозаика из кварцевых пластин — это еще не излучатель, а только его сердцевина. Поэтому кварцевую мозаику приклеивают к металлической мембране. Но и это не все. Чтобы кварцевые пластины колебались, а вместе с ними колебалась и мембрана, нужно к излучателю подключить источник высокочастотных колебаний.

Сравнительно недавно научились выращивать кварцы больших размеров лабораторным путем. Пластины из таких кристаллов не нужно склеивать. Но растут кристаллы кварца медленно и дороги в производстве.

Кристаллы сегнетовой соли легко выращиваются искусственно, легко обрабатываются и обладают значительно большим пьезоэлектрическим эффектом, чем кварц. Но сегнетовая соль боится влаги, имеет низкую температуру плавления и обладает малой прочностью.

В природе существует свыше 300 кристаллических веществ, обладающих пьезоэлектричеством, но среди них трудно подобрать пригодные для излучателя звука.

В настоящее время применяют главным образом титанат бария, который получают искусственным путем. Этот материал очень прочен, прост в изготовлении, дешев и обладает хорошими пьезоэлектрическими свойствами.

Для изготовления излучателей ультразвука используют также другое замечательное свойство — магнитострикционный эффект. Он заключается в том, что ферромагнитные материалы (железо, кобальт, никель) и их сплавы, помещенные в переменное магнитное поле, изменяют свои размеры в такт изменению магнитного поля — прямой магнитострикционный эффект.

А если наоборот, сжимать или растягивать стержень из ферромагнитного сплава, то намагниченность стержня будет изменяться, а следовательно, будет изменяться магнитное поле. Это — обратный магнитострикционный эффект.

Магнитострикционный излучатель представляет собой пакет, набранный из тонких никелевых пластин толщиной примерно 0,1 миллиметра. Пакет делается не сплошным, а с прорезями, в которые укладывается обмотка (рис. 15, а).

При пропускании переменного тока по обмотке создается переменное магнитное поле, под воздействием которого пакет то удлиняется, то укорачивается. Если с большей частотой изменять знаки, то пакет будет колебаться с такой же частотой, передавая колебания среде (рис. 15, б).

Рис. 15. Магнитострикционный излучатель: а — принципиальное устройство; б — колебания излучателя передаются среде.

Как уже упоминалось ранее, пьезоэлектричество и магнитострикция имеют прямой и обратный эффекты, а это значит, что излучатель может применяться и как приемник. Учитывая это, принято называть излучатели и приемники преобразователями или вибраторами, которые в зависимости от принципа действия бывают пьезоэлектрическими и магнитострикционными.

Сейчас ультразвук в нашей жизни играет большую роль. Трудно назвать области промышленности или науки, куда бы он не проникал со стремительной настойчивостью.

Ультразвук применяется в медицине, металлургии, химии, физике, пищевой промышленности, на рыбном промысле и во многих других областях.

Военные моряки многим обязаны ультразвуку. Ни один корабль не выйдет в море без специальных приборов, работа которых основана на использовании ультразвука.

Ультразвуковые волны имеют способность отражаться от всевозможных препятствий. Препятствием для ультразвуковой волны может быть не только какой-либо предмет, но и разнородная среда. Этот принцип использован при разработке дефектоскопов, определяющих качество отлитых металлических деталей. Если короткий импульс ультразвукового сигнала, распространяясь в металлической болванке, встретит на своем пути раковину или трещину, то он отразится в обратном направлении. Чувствительные приборы зафиксируют отраженный импульс, и брак отливки будет обнаружен (рис. 16).

Рис. 16. Ультразвук — браковщик, он легко обнаруживает трещины и раковины внутри отлитых металлических деталей.

Ультразвуком большой мощности можно вырезать любые отверстия в стекле, для этого нужно, чтобы энергия ультразвука излучалась очень узким пучком.

Медики при помощи ультразвука ставят диагнозы заболеваний мозга человека. Обычные рентгеновские лучи плохо проходят через кость черепа, а для ультразвука кость не является препятствием.

Ультразвуком очищают воздух от пыли, копоти и других загрязняющих веществ. Для этого в районе заводской трубы устанавливают источник ультразвука, при помощи которого копоть и дым быстро рассеиваются, опускаясь на землю. Это объясняется тем, что под действием ультразвуковых волн частицы копоти, сталкиваясь между собой, соединяются. Соединившиеся частицы увеличиваются в весе и оседают вниз.

Известно, что маслянистые жидкости не растворяются в воде. Но иногда очень нужно получить такой раствор в виде смеси — эмульсии. Ультразвук разбивает масло на такие мелкие частицы, что смесь воды с маслом выглядит в виде раствора.

Продовольственные продукты дольше сохраняют свежесть, если их облучить ультразвуком. Ультразвуком можно уничтожать накипь в паровых котлах, не вскрывая их.

В Программе КПСС указывается, что все большее место в технологии производства в ближайшие два десятилетия наряду с радиоэлектроникой и полупроводниками займет также ультразвук.

Возможности ультразвука очень велики, все его достоинства не перечесть. Остановимся только на одном замечательном свойстве — способности распространяться направленно при сравнительно небольших размерах излучателей.

Направленность излучения зависит от соотношения длины волны колебаний и размеров излучателя. Если длина волны больше размеров излучателя, излучение будет ненаправленным (рис. 17, а), и наоборот, если длина волны меньше размеров излучателя, излучение будет направленным (рис. 17, б).

Рис. 17. Направленность звука: а — длина волны больше размеров излучателя — ненаправленное распространение; б — длина волны меньше размеров излучатели — направленное распространение.

Чтобы обычные звуки, например звуки музыки, излучались направленно, нужно иметь излучатель размером в несколько метров.

Ультразвуковые волны значительно короче обычных, звуковых волн, поэтому для направленного излучения ультразвука размеры излучателя могут быть от нескольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров.

Направленность излучения будет тем больше, чем больше соотношение размеров излучателя и длины волны, т. е. с увеличением размеров излучателя направленность излучения повышается.

Излучатели небольших размеров легче изготовить и проще разместить на корабле, поэтому ученые выбрали именно ультразвук при создании гидроакустических приборов.

Акустика — область физики, изучающая звуки, их природу, образование, распространение и восприятие. Гидроакустика — отрасль акустики, занимающаяся изучением звуковых явлений в воде.

Современный военный корабль, как надводный, так и подводный, без гидроакустических приборов небоеспособен. Гидроакустика — это «уши» корабля, а для подводной лодки — и ее «глаза».

Еще в 1490 г. известный мыслитель и ученый Леонардо да Винчи заметил возможность прослушивания подводных шумов, опустив один конец трубы в воду, а другой приложив к уху.