ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСТВО

ПОЮЩИЙ КРИСТАЛЛ

Ервое время пьезоэлектрическая пластинка «умела» излучать лишь неслышимые ультразвуковые волны. Однако вскоре она «научилась» говорить, петь и даже иг­рать одновременно на многих музыкальных инструмен­тах. Этому способствовало быстрое развитие электроаку­стики — науки, занимающейся вопросами электрической записи и воспроизведения звуковых колебаний.

Взгляните на извилистую бороздку граммофонной пластинки. Извилины этой бороздки напоминают застыв­шие гребни морских волн. Игла граммофона, следуя по извилинам, колеблется с той или иной частотой. Там, где они круче, частота колебаний выше, а там, где положе, игла колеблется с меньшей частотой.

Колебания граммофонной иглы передаются упругой мембране — тонкой, туго натянутой металлической пла­стинке, а от неё, через рупор,— окружающему воздуху.

Граммофон имеет целый ряд недостатков. Он воспро­изводит музыку и речь с большими искажениями. Гром­кость воспроизведения недостаточно велика, регулировать её в соответствии с желанием слушателя невозможно.

Гораздо лучшие результаты получаются при электри­ческом воспроизведении граммзаписи. Схема работы элек­трического граммофона приведена на рис. 20. Колеба­ния иглы при её движении по бороздке граммпластинки передаются в этом случае особому прибору — звукосни­мателю, который преобразует их в соответственные элек­трические колебания. Затем происходит усиление электри­ческих колебаний и преобразование их в звук с помощью громкоговорителя.

При электрическом воспроизведении граммзаписи можно в широких пределах регулировать громкость вос­производимой музыки или речи, изменять их тембр. Элект­рические колебания, создаваемые звукоснимателем, можно передать по проводам на любое расстояние.

Наиболее распространены звукосниматели, действую­щие по пьезоэлектрическому принципу. В них механиче­ские колебания иглы передаются пьезоэлектрической пла­стинке и преобразуются ею в переменный электрический ток. Следовательно, и здесь пьезопластинка играет обыч­ную для неё роль преобразователя энергии.

В электроакустике применяются также пьезоэлектри­ческие микрофоны, телефоны и громкоговорители.

Микрофон — это прибор, служащий для превращения звука в электрические колебания звуковой частоты. Пье­зомикрофон действует подобно приёмнику ультразвука: звуковая волна, встречая пьезоэлектрическую пластинку, заставляет её колебаться, и на электродах пластинки воз­никают заряды, знаки которых меняются с частотой улав­ливаемого звука.

Радионаушники или, как их правильнее называть, те­лефоны выполняют обратную задачу. Они превращают электрические колебания в звуковые, то-есть служат для воспроизведения звука. Пьезотелефон по своему устрой­ству и действию напоминает излучатель ультразвуковых волн. Он представляет собой пьезоэлектрическую пластин­ку, колебания которой передаются тонкой металлической мембране, а от неё окружающему воздуху.

Если к мембране телефона или непосредственно к пье­зопластинке прикрепить конический бумажный рупор, то звук будет слышен более громко. Это объясняется тем, что за счёт рупора возрастает колеблющаяся поверхность, и колебания передаются большей массе воздуха. Кроме того, излучение звуковых волн в этом случае более на­правленно, и их энергия концентрируется в нужном на­правлении. Такое устройство и называют пьезоэлектриче­ским громкоговорителем.

Как видим, пьезоэлектрическая пластинка, этот «пою­щий кристалл», может вобрать в себя звучание огромного симфонического оркестра, передать это звучание по про­водам или с помощью радио на другой конец земли и вос­произвести его так, как если бы оркестр играл рядом.

Рассмотрим подробнее характерные особенности пьезо­электрических приборов, применяющихся в акустике. В любое пьезоакустическое устройство, будь то громкого­воритель, звукосниматель или микрофон, входит так на­зываемый пьезоэлемент, состоящий обычно из двух склеен­ных между собой пластинок из кристалла сегнетовой соли. Сегнетова соль по сравнению с другими пьезоэлектриками обладает наиболее сильным пьезоэлектрическим эффек­том, поэтому пластинка из сегнетовой соли очень чувстви­тельна — самое ничтожное механическое воздействие возбуждает на электродах электрический заряд. Сегнето­ва соль удобна и тем, что её кристаллы легко выращива­ются искусственным путём и обрабатываются. Однако ей свойственны и серьёзные недостатки — она хорошо рас­творяется в воде и, следовательно, боится влаги. Другой её недостаток — низкая температура плавления (прибли­зительно 63° Ц); кроме того, пластинка из сегнетовой соли довольно непрочна. Поэтому в настоящее время ведутся поиски заменителя сегнетовой соли, который был бы бли­зок к ней по чувствительности и не имел её недостатков.

Электроакустический пьезоэлемент работает не на сжатие — растяжение, как кварцевый излучатель уль­тразвука, а на изгиб (иногда на кручение). Этим дости­гается максимальная чувствительность пластинки.

Пьезоэлектрическую пластинку можно вырезать из кристалла под такими углами к координатным осям,
чтобы под воздействием электрических зарядов она либо удлинялась, либо укорачивалась. Две такие пластинки склеиваются большими гранями так, чтобы при укорачи­вании одной из них другая удлинялась, и наоборот. Тогда элемент в целом, если к электродам подвести переменный электрический ток, будет изгибаться в ту или иную сторону в зависимости от знаков зарядов на электродах (рис. 21).

Пьезоэлемент закрепляется чаще всего по трём его уг­лам, а четвёртый, свободный, соединяется с мембраной те­лефона, рупором громкоговорителя или держателем грам­мофонной иглы. От влаги пьезоэлементы предохраняются водонепроницаемыми оболочками из целлулоида.

Пьезоэлектрический громкоговоритель, звукоснима­тель или микрофон можно сделать самим. Но изготовить обычный пьезоэлемент в домашних условиях невозможно, так как для этой цели нужно вырастить кристалл сегне­товой соли нужных размеров, вырезать из него под опре­делённым углом к координатным осям пьезоэлектриче­ские пластинки, склеить их и т. д. Поэтому для изготов­ления самодельного пьезоэлемента следует воспользо­ваться более простым способом.

Вырежьте из куска тонкой листовой стали прямоуголь­ную пластинку шириной 30 и длиной 90 миллиметров.

С помощью карандаша и линейки разделите её на три оди­наковых квадрата. Средний из них покройте тонким слоем текстуры из сегнетовой соли — так, как это делалось раньше (см. стр. 23), штрихи следует проводить под углом 45° к длинному ребру пластинки. Затем изготовьте из ме­таллической фольги («серебряной» бумаги) квадратный электрод со сторонами

Около 28 миллиметров, | | ^Текстура

Слегка увлажните водой поверхность текстуры, на­ложите на неё электрод и притрите его с по­мощью ваты к увлаж­нённой поверхности. Роль второго электрода играет стальная пластинка, на

Которую нанесена тек­

Стура.

Если спустя несколько дней (время, необходимое для полного созревания текстуры) присоединить к элект­родам пьезоэлемента проводники и включить их в радио­трансляционную сеть, то пластинка начнёт колебаться, станет слышна радиопередача. Такие пьезоэлементы мож­но использовать в качестве простейших телефонов.

А вот как можно сделать простейший звукосниматель.

Прикрепите к одному из углов самодельного пьезоэле­мента держатель для граммофонной иглы (такого же

Пьезоэлемент

Типа, как и в обычной мембране граммофона). К проти­воположной стороне пластинки нужно прикрепить метал­лическую трубку длиной около 150 миллиметров. Свобод­ный конец трубки укрепляется в специальном шарнире (рис. 23). Подобный звукосниматель может успешно ис­
пользоваться для воспроизведения граммзаписи. Для это­го проводники, соединённые с электродами, подключают­ся к усилителю радиоприёмника, а звукосниматель устанавливается на патефоне так, чтобы при повороте трубки вокруг оси шарнира игла совмещалась с центром пластинки.

Теперь пьезоэлектрическую пластинку используют и для новых целей. Об одной из них рассказывается ниже.