ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСТВО

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАТОР

Сли качнуть маятник, то он начнёт колебаться. Размах колебаний будет постепенно затухать, но их частота останется постоянной. Именно поэтому маятник и приме­няют в часах.

Частота колебаний маятника зависит от его размеров и не зависит от внешних воздействий: силы первоначаль­ного толчка, сопротивления среды и т. д. Поэтому она на­зывается собственной частотой.

Подвесим к жёсткой стойке несколько маятников. Толк­нём один из них, чтобы он начал колебаться. Энергия колебаний этого маятника будет передаваться через об­щую стойку другим маятникам. Однако придут в колеба­тельное движение только те маятники, собственные ча­стоты которых совпадают с частотой колебаний первого маятника.

Передача колебаний от какого-либо колеблющегося тела другим телам, обладающим такими же собственными частотами, называется резонансом (это слово имеет ла­тинское происхождение и означает отзвук или отклик).

Возьмём гитару. Настроим две струны на одинаковый тон. Если теперь дёрнуть одну струну, то другая сразу же отзовётся. Это ещё один пример резонанса.

Когда на упругое тело (пружину, маятник и др.) воз­действует знакопеременная нагрузка с частотой, равной собственной частоте этого тела, наблюдается возрастание размаха колебаний вследствие резонанса. Поэтому, чтобы как можно сильнее раскачать качели, нужно толкать их в такт колебаниям.

Если собственная частота колебаний какой-нибудь ма­шины совпадает с частотой вибрации, то размах колебаний резко возрастает, вплоть до разрушения той или иной де­тали. Именно резонансом объясняются описанные выше случаи раскачивания зданий и разрушения мостов от не­значительной знакопеременной нагрузки, которая случай­но действовала с резонансной частотой.

Пьезоэлектрическая пластинка, как и любое другое упругое тело, обладает собственной частотой колебаний. Переменный ток, подводимый к электродам пластинки, можно рассматривать как внешнюю силу, вызывающую её периодическое сжатие и расширение. Если частота этой внешней силы далека от собственной частоты пластинки, то размах колебаний сравнительно невелик. Но по мере приближения частоты переменного напряжения к собст­венной частоте пластинки размах колебаний возрастает всё более резко и при резонансе достигает максимума. В этом случае пьезоэлектрическая пластинка является резонансной электромеханической колебательной систе­мой, которую для простоты называют пьезоэлектрическим резонатором.

Резонансные свойства пьезоэлектрической пластинки нередко используются в известных нам ультразвуковых из­лучателях и приёмниках. Ведь при резонансе размах коле­баний максимален, а следовательно, и наиболее велика мощность излучаемых пластинкой ультразвуковых волн.

В электроакустических приборах, напротив, стараются исключить возможность резонанса, рассчитывая пьезо­элементы так, чтобы их собственные частоты не были зву­ковыми. В противном случае колебания резонансной ча­стоты воспроизводились бы гораздо громче прочих, то-есть наблюдались бы искажения.

Наибольшее распространение получили пьезокварце­вые резонаторы. Упругость кварца такова, что при разме­рах, исчислимых миллиметрами и сантиметрами, собствен­ные частоты кварцевых пластинок лежат в пределах от тысячи до многих миллионов колебаний в секунду. А как раз эти частоты широко применяются в одной из важней­ших технических отраслей — в радиотехнике.

Благодаря высоким упругим свойствам кварцевая пла­стинка представляет собой весьма совершенную механиче­скую колебательную систему, для которой характерны очень малые потери энергии. Такая система, если её при­вести в колебательное движение, успевает совершить сотни тысяч колебаний, прежде чем вся энергия израсхо­дуется на преодоление сопротивления окружающей среды и трения в опорах. Для сравнения укажем, что обычный маятник после толчка делает только несколько сотен или даже десятков колебаний.

Благодаря высокой химической и температурной устой­чивости кварца собственная частота кварцевого резона­тора исключительно постоянна. Если кварцевую пластинку нагреть или охладить на один градус, то её собственная частота изменится всего на несколько десятитысячных, а иногда даже стотысячных долей процента.

В современной радиотехнике предъявляются очень вы­сокие требования к устойчивости или, как говорят чаще, к стабильности частоты электрических колебаний.

Такие требования были продиктованы самой жизнью.

Для каждой радиостанции отводится своя рабочая ча­стота. Радиослушатель, настраивая приёмник на частоту какой-либо определённой станции, слушает только её пере­дачу, так как вследствие резонанса приёмник восприни­мает лишь те колебания, на частоту которых он настроен.

По мере развития радиовещания и связи количество действующих радиостанций всё более и более увеличи­вается. В эфире становится «тесно». Если стабильность частот недостаточно высока, радиостанции могут «наез­жать друг на друга, создавать взаимные помехи. При этом радиослушатель слышит одновременно передачи двух или нескольких станций, сопровождающиеся свистами и искажениями. Радиотехники стали изыскивать способы по­вышения стабильности. И наиболее эффективным из этих способов оказалась кварцевая стабилизация, то-есть ста­билизация с помощью кварцевых резонаторов.

Современная радиостанция представляет собой чрезвы­чайно сложное устройство. Однако в её работе много об­щего с работой обыкновенного часового механизма.

Возьмём часы. Положим, что пружина в них не заве­дена. В этом случае, качнув маятник, можно наблюдать постепенное уменьшение размаха его колебаний. Это за­тухание, как мы уже говорили, объясняется потерями энергии на трение и на сопротивление колебательному движению маятника со стороны окружающей среды.

Заведём пружину. Она стремится восстановить перво­начальную форму. Сила упругости, стремящаяся раскру­тить пружину, с помощью особого механизма передаётся маятнику и поддерживает его колебания. Поэтому часовой маятник колеблется до тех пор, пока пружина не раскру­тится, и запас энергии, заключённый в ней, не уменьшится до известного предела.

Таким образом в часах происходит преобразование энергии, которая запасена заведённой пружиной, в энер­гию механических колебаний маятника.

Подобное явление имеет место и в радиопередатчике. Там происходит преобразование энергии постоянного тока, вырабатываемого источниками питания (аккумуляторами, динамомашинами и т. д.), в энергию электрических коле­баний. Роль пружины играет здесь источник постоянного тока, а роль маятника — электрическая колебательная система, в качестве которой может использоваться пьезо­кварцевая пластинка.

Частота вырабатываемых, или, как принято говорить, генерируемых радиопередатчиком мощных электрических колебаний практически равна собственной частоте квар­цевого резонатора. Но так как последняя отличается очень высокой стабильностью, стабилизируется и рабочая часто­та радиостанции.

В этом и заключается принцип кварцевой стабили­зации.

Другим эффективным способом уплотнения эфира яви­лось применение пьезокварцевых фильтров в радиоприём­ных устройствах. По мере сближения рабочих частот ра­диопередающих станций выделить желаемую программу и отстроиться от помех со стороны соседних по частоте пе­редатчиков становится всё труднее и труднее. Как раз для этой цели и предназначены кварцевые фильтры, которые пропускают токи определённой частоты и задерживают токи всех остальных частот. Простейшим фильтром слу­жит электрическая колебательная система.

Чем меньше потери энергии в колебательной системе, тем больше размах колебаний при резонансе и тем лучше выделяются колебания резонансной частоты. Про такую колебательную систему говорят, что она обладает высо­кими резонансными свойствами.

Мы уже указывали, что наименьшие потери энергии, по сравнению с другими механическими или электрически­ми колебательными системами, имеет кварцевый резона­тор. Следовательно, его резонансные свойства наиболее высоки, и он может выделить передачу станции, на частоту которой настроен, даже при наличии очень близких по ча­стоте «соседей».

Устройство, содержащее кварцевые резонаторы и пред­назначенное для повышения «избирательности» радио­приёмника, называется кварцевым фильтром.

Кварцевые фильтры применяются не только в радио­приёмниках, но и в проводной связи (телефон, телеграф). Они позволяют вести по двум проводам десятки перегово­ров одновременно.

Таковы основные применения пьезоэлектрического эффекта. В заключение остановимся на том, как разви­вается и растёт пьезоэлектрическая техника, какие про­блемы стоят перед ней.