Механические преобразователи. 
Психотронное оружие

В настоящее время среди механических преобразователей наиболее широкое применение получили ультразвуковые свистки, жидкостные генераторы, гидродинамические излучатели, газоструйные излучатели и сирены. Применяются все они для создания ультразвуковых колебаний в жидкостях, воздухе и газообразных средах. Механические излучатели работают в широком диапазоне частот (20—200 кгц (55, с.7−8).

Принцип действия ультразвукового генератора почти такой же, как и обычного милицейского, но размеры его значительно больше. Поток воздуха с большой скоростью разбивается об острый край внутренней полости генератора, вызывая колебания с частотой, равной собственной частоте резонатора. Изменяя размеры резонатора, можно изменять частоту колебаний. Уменьшение размеров резонатора приводит к повышению частоты колебаний. При помощи ультразвукового генератора можно создавать колебания с частотой до 100 кгц. Мощность такого генератора мала, поэтому для получения больших мощностей применяют газоструйные генераторы, у которых скорость истечения воздуха или газа значительно выше. Струйный генератор прост по устройству, но имеет небольшой к. п. д.

Жидкостные генераторы применяют для излучения ультразвука в жидкость. В жидкостных генераторах (рис. 1) в качестве резонансной системы служит двустороннее острие, в котором возбуждаются изгибные колебания. Струя жидкости, выходя из сопла с большой скоростью, разбивается об острый край пластинки, по обе стороны которой возникают завихрения, вызывающие изменение давления с большой частотой.

Для работы жидкостного генератора необходимо избыточное давление жидкости 5 кГ/см2 (55, с.8).

Рис. 1. Принцип действия жидкостного генератора: /—сопло; 2—пластинка

Во многих технологических процессах применяется ультразвуковая сирена с двумя дисками, помещенными в камеру. На каждом диске имеется большое количество отверстий. Поступающий под большим давлением в камеру воздух выходит через отверстия обоих дисков. При вращении внутреннего диска (ротора) его отверстия будут совпадать с отверстиями наружного диска (статора) только в определенные моменты времени. В результате вращения возникнут пульсации воздуха. Чем больше скорость вращения ротора, тем больше частота пульсаций. Мощность и к.п.д. сирены значительно выше. Если в поле излучения такой сирены поместить вату, то она воспламенится, а стальные стружки нагреваются докрасна (55, с.9).

Рис. 2. Ультразвуковые механические преобразователи

Электромеханические (электроакустические) преобразователи широко применяются в промышленности и при научных исследованиях. Особенности конструкции электромеханических преобразователей позволяют применять их на высоких частотах. Ультразвуковые электромеханические преобразователи более устойчивы в работе, чем механические. По принципу действия электромеханические преобразователи подразделяются на электродинамические, пьезоэлектрические и магнитострикционные.

Электродинамические преобразователи основаны на принципе взаимодействия проводника, по которому проходит переменный ток, с магнитным полем. В настоящее время электродинамические преобразователи применяются редко, поэтому в данной работе они не рассматриваются (55. с.10).

Для изготовления пьезоэлектрических преобразователей из кристаллов кварца вырезают пластинки таким образом, чтобы плоскости их были перпендикулярны одной из трех электрических осей (Х-срез). Такие пластинки при колебаниях излучают продольные волны, хорошо распространяющиеся в твердых телах, жидкостях и газах. Пластинки с У-срезом применяются в том случае, когда нужно получить поперечные волны. Пластинки с Z-срезом не обладают пьезоэлектрическим эффектом.

Пьезоэлектрический эффект может быть прямым и обратным. Если к пластинке кварца с двух сторон прикрепить электроды и соединить их проводниками с чувствительным прибором, то при сжатии пластинки возникнет электрический заряд, а при растяжении заряд будет той же величины, но противоположный по знаку. Следовательно, возникновение зарядов на гранях пластинки при механическом воздействии называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. При этом электрическая поляризация прямо пропорциональна механическому напряжению, знак которой зависит от его направления:

e = dF,.

где е — величина электрического заряда;

d — постоянная величина, называемая пьезоэлектрическим модулем;

F — сила, вызывающая механическое напряжение, в дин.

Принцип прямого пьезоэлектрического эффекта используется при изготовлении приемников ультразвуковых колебаний, которые преобразуют механические колебания в электрические, т. е. в переменный ток.

Если к электродам кварцевой пластинки подвести электрический заряд, то ее размеры увеличатся или уменьшатся в зависимости от полярности подводимого заряда. Чем больше заряд, тем больше деформация пластинки. При изменении знаков приложенного напряжения кварцевая пластинка будет то сжиматься, то разжиматься, т. е. она будет колебаться в такт с изменениями знаков приложенного напряжения. Изменение размеров лластинки под действием электрических зарядов называется обратным пьезоэлектрическим эффектом. Изменение толщины пластинки под действием электрических зарядов пропорционально приложенному электрическому напряжению:

At=dU,.

где, А — изменение толщины пластинки;

d — пьезоэлектрический модуль;

U — приложенное напряжение в абсолютных электростатических единицах.

Принцип обратного пьезоэлектрического эффекта используется при изготовлении излучателей ультразвуковых колебаний, которые преобразуют электрические колебания в механические.

Пьезоэлектрический излучатель и приемник могут быть представлены в виде одного прибора, который поочередно излучает и принимает ультразвуковые колебания. Такой прибор называют ультразвуковым пьезоэлектрическим преобразователем (55, с.10−11).

Ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи применяются в ультразвуковых дефектоскопах, экспресс-анализаторах, уровнемерах, расходомерах, эхолотах, рыбопоисковых приборах, медицинских и других приборах. Большое будущее принадлежит пьезоэлектрическим преобразователям при освоении космоса и, в частности, при подготовке к полету человека на другие планеты. Чтобы отправиться в межпланетное путешествие, нужно иметь точные данные о метеорной опасности. Эту задачу и выполняют пьезоэлектрические преобразователи, регистрирующие появление даже микроскопических метеоров.

Кварц долгое время был одним из основных материалов для изготовления ультразвуковых преобразователей. Он очень устойчив к высоким температурам, плавится при 1470 °C, а теряет пьезоэлектрические свойства при 570° С. Но кварц не выдерживает больших механических нагрузок, он очень хрупок. Поэтому специалисты предложили другой кристалл — сегнетову соль. Ее кристаллы легко выращиваются искусственным путем и легко обрабатываются. Кроме того, сегнетова соль по сравнению с другими пьезокристаллами, в том числе и кварцем, обладает значительно большим пьезоэлектрическим эффектом. Самое ничтожное механическое воздействие на пластинку сегнетовой соли приводит к появлению электрических зарядов. Однако сегнетовой соли свойственны и серьезные недостатки, которые ограничивают ее практическое применение. Это, в первую очередь, низкая температура плавления (около 60°С), при которой сегнетова соль теряет пьезоэлектрические свойства и больше не восстанавливает их. Сегнетова соль растворяется в воде и, следовательно, боится влаги.

Большие исследования по изысканию новых пьезоэлектрических материалов проводились во время второй мировой войны. Они были вызваны «кварцевым голодом», возникшим вследствие широкого использования пьезокварца в гидроакустических приборах и в военной радиоэлектронике. Так, во время второй мировой войны для изготовления пьезоэлектрических преобразователей применялись кристаллы дигидрофосфата аммония. Этот материал очень стабилен по физическим параметрам, имеет высокий коэффициент электромеханической связи, позволяет работать с большими мощностями и в широком диапазоне частот.

Из новых пьезоэлектрических материалов долгое время применялись фосфат аммония, сульфат лития и дигидрофоофат калия. В гидроакустических преобразователях эти материалы применялись в виде мозаичных пакетов. Однако всем пьезокристал-лам присущ один общей недостаток — малая механическая прочность. Ученые начали упорные поиски заменителя пьезокристал-лам, который был бы близок к ним по пьезоэлектрическим свойствам и не имел бы их недостатков. И такой заменитель был найден (55, с.11−12).

Советские ученые под руководством чл.-корр. Академии наук СССР Б. М. Вула создали вещество, наделенное удивительными и ценными свойствами, и назвали его титанат бария. В недрах. земли он встречается очень редко, поэтому его получают искус-ственным путем. Смесь двух минеральных веществ (углекислого бария и двуокиси титаната) обжигают при очень высокой температуре. В результате получается желтовато-белая масса, которая по виду и механическим свойствам напоминает обыкновенную глину. Этой массе можно придать любую форму и размер. Как и всякое керамическое изделие, она будет механически прочной и нерастворимой в воде.

Но титанат бария не обладает пьезоэлектрическими свойствами, и ему нужно придать эти свойства искусственно. Для этого обожженную массу помещают в сильное электрическое поле, а затем охлаждают. Под воздействием электрического поля происходит поляризация кристалликов титаната бария, их диполи занимают одинаковое положение, а после охлаждения фиксируются (как бы «замораживаются») в этом положении.

Пьезоэлектрический эффект у титаната бария в 50 раз больше, чем у кварца, а стоимость его в 100 раз меньше. Важно, что для изготовления преобразователей из титаната бария имеется неограниченное количество сырья. Недостатком титаната бария являются большие механические и диэлектрические потери, что приводит к его перегреву, а при температуре более 90° С значительно уменьшается интенсивность излучения. Практически пьезокерамические преобразователи выполняются в виде плоских, сферических и цилиндрических конструкций (рис. 4) (55, с.12−13).

Рис. 4. Пьезокерамические преобразователи

Научно-исследовательскими и конструкторскими организациями разработаны и изготовлены ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи, предназначенные для интенсификации химических, электрохимических и других процессов. Пьезоэлектрический преобразователь представляет собой один или несколько соединенных определенным образом отдельных пьезоэлемен-тов с плоской или сферической поверхностью, приклеенных на общую металлическую пластину толщиной, равной половине длины волны ультразвука в металле. Для отвода тепла, выделяемого пьезоэлементами (если в этом есть необходимость), в корпус преобразователя заливается масло, которое охлаждается змеевиком с проточной водой.

При технологическом применении преобразователь опускается в облучаемый объем либо является конструктивным элементом устройства (дном, стенкой и т. п.). Применение устройства с пьезоэлектрическим преобразователем позволяет, например, интенсифицировать процессы коагуляции аэрозолей, очистки, диспергирования, эмульгирования, электроосаждения и др.

Для получения большей интенсивности излучения применяют фокусирующие пьезоэлектрические преобразователи, или концентраторы, которые могут иметь самые различные формы (полусферы, части полых сфер, полые цилиндры, части полых цилиндров и т. п.). Такие преобразователи используются для получения мощных ультразвуковых колебаний на высоких частотах. При этом интенсивность излучения в центре фокального пятна у сферических преобразователей превышает в 50— 150 раз среднюю интенсивность на излучающей поверхности преобразователя.

Рис. 5. Ультразвуковой пьезоэлектрический концентратор

На рис. 5 показан ультразвуковой пьезоэлектрический концентратор, разработанный Акустическим институтом АН СССР. Он может применяться при научных исследованиях в процессах эмульгирования, диспергирования, коагуляции, при распылении и др (55, с.13−14).

Ультразвуковые пьезоэлектрические преобразователи характеризуются следующими основными параметрами: потребляемой мощностью, импульсной мощностью, частотой следования импульсов, длительностью импульсов, акустической мощностью и мощностью потерь, коэффициентом полезного действия, интенсивностью излучения, резонансной и частотной характеристиками, полным электрическим и эквивалентным сопротивлением.

Параметры пьезоэлектрических преобразователей определяются путем расчета по формулам и проверяются экспериментально (55, с.14−15).