Образно говоря, наш век - это век бурно развивающихся
радиоэлектроники, полупроводниковой и вычислительной техники. Появляются
в огромном количестве портативные и миниатюрные радиотехнические
устройства. Но как, например, припаять проволоку в несколько раз тоньше
человеческого волоса к крохотному радиоэлементу? Как сделать
механические креплеиия деталей и узлов из полупроводников, керамики,
феррита, кварца, абразива и других материалов? Метод вжигания серебра
обладает высокой трудоемкостью, и получается недостаточная механическая
прочность. Кроме того, расходуется драгоценный металл. Теперь эти
операции выполняет луч лазера и ультразвук. В Советском Союзе и других
странах для этой цели созданы ультразвуковые установки с
микроманипуляторами и стереомикроскопами.
В радиоэлектронике, в частности в радиолокации и особенно в
вычислительной технике, часто возникает необходимость задержать один
электрический сигнал относительно другого. Эту задачу можно решить, если
один из сигналов пустить по обходному пути, то есть по очень длинному
кабелю. Но практически это трудно выполнимо и нецелесообразно, так как
потребуется очень много кабеля. Удачное решение нашли ученые, предложив
ультразвуковые линии задержки. Действие их основано на преобразовании
электрических импульсов в импульсы ультразвуковых механических
колебаний, скорость распространения которых значительно меньше скорости
распространения электромагнитных колебаний. После обратного
преобразования механических колебаний в электрические импульс на выходе
линии будет задержан относительно входного импульса на время, величина
которого зависит от линии задержки, а точнее, от длины участка линии
задержки.
Преобразования электрических колебаний в механические и обратно основаны
на явлениях магнитострикции и пьезоэлектричества. Соответственно этому
преобразователи и ультразвуковые линии задержки подразделяются на
магнитострикционные и пьезоэлектрические.
Магнитострикционная линия задержки состоит из входного и выходного
преобразователей, магнитов, зву-копровода и поглотителей. Главный
элемент преобразователя сделан из ферромагнитных материалов, способных
изменять свои размеры под воздействием магнитного ноля. Схематично
работа линии задержки сводится к следующему: механическое возмущение,
вызванное магнитным полем катушки входного преобразователя, передается
по звукопроводу и, дойдя до катушки выходного преобразователя, наводит в
нем электродвижущую силу. Основное преимущество магнитострикционной
линии состоит в простоте съема импульсов с различными временными
задержками. Это достигается установкой на нужных расстояниях нескольких
приемных катушек. Кроме того, можно плавно изменять величину задержки
сигнала.
Пьезоэлектрические линии задержки устроены следующим образом. На пути
электрического сигнала, который нужно задержать, ставят
пьезоэлектрический преобразователь (пластинку кварца), который жестко
соединен с металлическим или другим стержнем (звукопроводом). Ко второму
концу стержня прикреплен еще один пьезоэлектрический преобразователь.
Сигнал, подойдя к первому входному преобразователю, вызывает
механические колебания ультразвуковой частоты, которые затем
распространяются в звукопроводе. Достигнув второго преобразователя,
ультразвуковые колебания вновь преобразуются в электрические и дальше
продолжают свой путь. Вся суть сводится к разнице в скоростях
распространения звука и электричества. Понятно, что время задержки
сигнала зависит от длины звукопровода и что, изменяя эту длину, можно
изменять и время задержки.
Звукопроводами могут быть твердые и жидкие тела. Из твердых тел чаще
используют магниевые сплавы, а из жидких - ртуть. Звукопроводы из
магниевого сплава длиной один сантиметр позволяют получить задержку
сигнала на 1,7 микросекунды. Ртутный звукопровод при такой же длине
задерживает сигнал на 6,7 микросекунды. Иногда для увеличения времени в
линиях с твердым звукопроводом используются многократные отражения
сигнала. Еще большие величины задержек можно получить, если вместо
продольных волн использовать поперечные. При этом размеры линии задержки
значительно уменьшаются.
Однако проблема не решена окончательно. Дело в том, что сигнал после
двух преобразований перед звукопроводом и после него ослабевает в тысячи
раз. Следовательно, нужны дополнительные устройства для усиления
сигналов, а это невыгодно. Поэтому ученые и предложили в ультразвуковых
линиях задержки применять для звукопроводов материалы, обладающие
пьезоэлектрическими и полупроводниковыми свойствами (кварц, хлористый
натрий).
Если к полупроводниковому пьезокристаллу приложить постоянное
электрическое поле такой величины, чтобы скорость движения электронов
превышала скорость ультразвуковой волны, то амплитуда последней будет
возрастать по мере движения волн вдоль стержня. В этом случае наряду с
задержкой по времени сигнал намного усилится. Таким образом,
ультразвуковая линия задержки с пьезоэлектрическим звукопроводом
является одновременно и усилителем.
Опыты показали, что при определенной длине стержня акустического
усилителя можно усилить ультразвуковые колебания в десятки тысяч раз.
Вот почему такое большое внимание ныне уделяется исследованиям в области
полупроводниковых и пьезокристаллических ультразвуковых усилителей.
В Институте радиотехники и электроники Академии наук СССР разработана
активная ультразвуковая линия задержки. Принцип ее действия основан на
использовании явления усиления ультразвука "дрейфом" электронов в
твердых телах. Усиление возникает из-за взаимодействия электронов с
кристаллической решеткой. Особенно эффективно это взаимодействие в
материалах, обладающих пьезоэлектрическими свойствами. Благодаря такому
взаимодействию ультразвуковой волне передается энергия потока
электронов, когда скорость их "дрейфа" в кристалле превышает скорость
распространения ультразвука. Электромагнитные колебания преобразуются
электромеханическим преобразователем в ультразвуковые. Возникшая
ультразвуковая волна распространяется через звукопровод и активный
элемент, в котором происходит ее усиление, и затем снова преобразуется с
помощью выходного электромеханического преобразователя в
электромагнитные колебания, но уже задержанные по времени.
Ультразвуковая линий задержки работает на частоте 52 мегагерца, время
задержки 15 микросекунд.
Не менее интересной и перспективной представляется проблема усиления
радиосигналов с помощью ультразвука. В Акустическом институте Академии
наук СССР создан прибор, который работает на основе взаимодействия
электронов с ультразвуковой волной. Если через пьезоэлектрический
кристалл в одном и том же направлении пропустить ультразвуковую волну и
электрический ток, то на выходе мы получим усиленный ультразвуковой
сигнал. Один сантиметр длины пьезоэлектрического кристалла позволяет
получить усиление в сотни миллиардов раз. Вот именно это явление и
можно, оказывается, использовать для усиления высокочастотных
радиосигналов. Для этого радиосигнал нужно сначала преобразовать в
ультразвуковой, усилить его, а затем вновь преобразовать в радиосигнал.
Конечно, на всех этапах преобразования какая-то часть мощности теряется,
и тем не менее этот метод усиления превосходит по эффективности метод
усиления с помощью вакуумных ламп.
Ультразвук, как и электромагнитные волны, теперь можно обрабатывать
радиотехническими способами - генерировать, усиливать, модулировать,
выпрямлять, фильтровать и т. д. А это открывает перед ультразвуком
большие перспективы в области связи. В среде, где невозможно
использовать радиоволны, например под водой, на помощь приходят
усилители ультразвука. Так на стыке двух наук - ультраакустики и
радиоэлектроники- возникло новое направление - акустоэлектроника.
Появились новые устройства - квантовоакустические усилители. Они
настолько перспективны, что ими заняты сейчас большие научные силы.
Интересный эксперимент в области квантовой акустики выполнил
американский физик - один из изобретателей оптического лазера. Он
показал, что кристалл, на который направлен пучок света от сверхмощного
светового лазера, начинает звучать на очень высоких частотах. Таким
образом, открыта еще одна возможность преобразования световых колебаний
в ультразвуковые без "посредника" - электричества.
Применение усиленного ультразвука при исследовании взаимодействия
электронов с упругими волнами помогает раскрыть новые, ранее неизвестные
свойства вещества Например, исследуя сульфид кадмия, ученые обнаружили
необычное явление - волнообразный перенос тепла в твердом теле. Его
можно представить как волнообразное изменение температуры,
распространяющееся вдоль кристалла в направлении распространения
ультразвука. Если же освещать кристалл сульфида кадмия и одновременно
пропускать через него ультразвуковые колебания, то возникающее
электрическое поле создаст электродвижущую силу вдоль направления
распространения волны. Во время экспериментов был получен ток
напряжением более 100 вольт.
Во многих странах разрабатываются акустические усилители высокочастотных
сигналов. Американские ученые, в частности, предполагают использовать их
в качестве усилителей промежуточной и высокой частоты, усилителей с
ограничением амплитуды сигнала, а также линий задержки
сверхвысокочастотных сигналов без потерь. Действие таких усилителей
основано на пьезоэлектрическом преобразовании электромагнитных колебаний
в ультразвуковые, усилении ультразвуковых колебаний и на преобразовании
усиленных ультразвуковых колебаний в электромагнитные. В качестве
преобразователей используются пластины кварца. Зарубежные специалисты
считают возможным применять для этой цели соединения из элементов III и
V групп Периодической системы элементов Менделеева (фосфид галлия,
арсенид индия, фосфид бора).
Усовершенствование вычислительных машин - процесс безостановочный и
непрерывный. Более того, процесс все более и более ускоряющийся,
подгоняемый, с одной стороны, потребностями практики, а с другой - самим
научно-техническим прогрессом. Одно из основных, даже, можно сказать,
главных направлений совершенствования "умных" машин - это повышение их
так называемого быстродействия. Уже сменилось несколько поколений этих
машин, и каждое новое поколение отличалось от предыдущего прежде всего
быстродействием ("прежде всего" - это никак не означает, что не менялись
и все другие качества и параметры, такие, как объем памяти, потребляемая
мощность, габариты и т. д.). Добиваясь повышения быстродействия,
создатели "умных" машин пришли к идее использования оптических систем,
которые позволяют производить расчеты со скоростью света, то есть
практически мгновенно. Оптические машины превосходят электронные
примерно настолько, насколько электронно-вычислительные по своим
возможностям превосходят человека.
Казалось бы, что делать в таких машинах ультразвуку по сравнению со
светом в буквальном смысле тихоходу? Между тем дело нашлось: ему можно
поручить роль "посредника" между электрическим током и светом. Из
плавленого прямоугольного кварцевого стержня делают входной
преобразователь оптической системы, к которой прижаты пьезоэлектрические
кристаллы. Они преобразуют электрический ток в механические колебания,
которые возбуждают в кварцевом стержне ультразвуковые волны. В такт
ультразвуковым колебаниям изменяется способность кварца преломлять свет.
Перемена коэффициента преломления фиксируется оптической системой, и на
ее выходе (фотопластинке) появляются темные и светлые места.
Фотопластинку с записанным ответом нужно проявить, но это процесс
несложный, к тому же его можно выполнять независимо от дальнейшей работы
машины.
Возросшая роль акустических методов исследования твердого тела и широкое
распространение методов ультразвуковой интроскопии и дефектоскопии
вызывают необходимость интенсивности ультразвуковых колебаний в широком
диапазоне частот. Однако на очень высоких частотах величины смещений в
твердых телах столь малы, что их непосредственное измерение затруднено.
Поэтому на высоких частотах обычно используются различные косвенные
методы измерения интенсивности ультразвуковых колебаний. Наиболее
эффективный из них - акустоэлектрический метод.
В Институте радиотехники и электроники АН СССР разработан
акустоэлектрический детектор ультразвука на основе фотопроводящих
кристаллов. Ультразвуковая волна, распространяясь в некоторой среде,
попадает на акустоэлектрический приемник, представляющий собой нужным
образом ориентированный кристалл, а затем поглощается в специальном
устройстве (поглотителе). Образующееся на выходе акустоэлектрического
приемника напряжение регистрируется индикатором. Простота измерений,
высокая чувствительность, линейность в широкой полосе частот позволяют
использовать акустоэлектрический детектор ультразвука для исследования
амплитудно-частотных характеристик электромеханических преобразователей.
Ультразвуковой детектор на основе акустоэлектрического эффекта сочетает
в себе высокую чувствительность, простоту и удобство измерений.
Звуковые и ультразвуковые устройства в комплексе с радиоэлектроникой
наряду с многочисленными новинками в области науки и техники находят
себе место и в исследовании космоса. Так, например, на орбитальных
станциях "Салют" в панелях, выполняющих роль датчиков, использовался
акустический принцип. Удар микрочастиц регистрировался и замерялся по
системе звуковых колебаний, а затем по радиоканалу данные передавались
на наземные пункты управления.
Ультразвук проник и в бытовую радиоэлектронику. В некоторых моделях
современных телевизоров ультразвук использовали для беспроводного
дистанционного управления. Небольшой ультразвуковой пульт, умещающийся
на ладони, позволяет не только включать и выключать телевизор на
расстоянии до 6 метров, но и регулировать яркость изображения и
громкость звука, а также переключать программу передач. Ультразвуковой
дистанционный пульт может управлять и магнитофоном.
"Звук, ультразвук, инфразвук" автор: И.Г. Хорбченко, Издательство
"Знание" Москва 1986 год.