Квантова акустика

акустика

Квантова акустика – термін новий і в якійсь мірі умовний. Він ще не отримав права громадянства і відноситься до нещодавно відкритої області акустики. Але перш ніж розповідати про неї, необхідно роз’яснити позірну суперечність в самому терміні «квантова акустика».

Акустика – наука про звук, який являє собою пружні хвилі, що поширюються в газах, рідинах і твердих тілах. Якщо частота коливань звукових хвиль лежить в межах 40-15 000 герц, наше вухо сприймає їх як чутний звук. Якщо частота перевищує 15000 коливань в секунду, ми нічого не чуємо, хоча фізичний процес залишився тим же. Такі не чутні нашим вухом звуки називаються ультразвуками.

Акустика розглядає середовище, в якому поширюється звук і ультразвук, як суцільну, безперервну. Квантова ж теорія застосовується для опису явищ, що відбуваються в мікросвіті. Однак, як це було нещодавно показано, існує стик цих двох наук. У міру підвищення частоти пружних ультразвукових коливань довжини хвиль зменшуються і, нарешті, робляться такими малими, що хвилі починають «помічати» дискретну структуру твердих тіл – кристалічну іонну решітку. Ось тут-то і народжується квантова акустика – цікава і перспективна область, в якій вже встановлено ряд невідомих раніше фізичних явищ.

При вивченні явищ квантової акустики ми, насамперед, стикаємося з труднощами отримання коротких ультразвукових хвиль. Справа в тому, що зазвичай в якості випромінювача і приймача ультразвуку використовують пластинки, виготовлені з п’єзоелектричних матеріалів, тобто таких матеріалів, які мають властивість «виділяти» електричні заряди під дією механічних напруг. Якщо стиснути таку пластинку, на її поверхнях з’являться заряди протилежних знаків.

Якщо стиснення замінити розтягуванням, знаки зарядів поміняються місцями. Цей ефект звернемо. Якщо на пластинку нанести металеві електроди і прикласти до них електричну напругу, платівка деформується. Якщо напруга буде змінюватися, платівка стане коливатися, стане випромінювати пружні хвилі. Таким чином, за допомогою п’єзоелектричної пластинки можна випромінювати і приймати ультразвукові коливання.

Випромінювання і прийом ультразвуку особливо ефективні тоді, коли платівка налаштована в резонанс. Для цього потрібно, щоб її товщина відповідала половині довжини ультразвукової хвилі. Для частот, застосовуваних у звичайній ультразвуковій дефектоскопії (кілька мегагерц), товщина випромінюючої пластинки повинна бути близько міліметра. Неважко, однак, збагнути, що для отримання в тисячу разів більших частот довелося б працювати з пластинками, товщина яких – лише кілька мікрон. Виготовити таку пластинку, нанести на неї металеві електроди товщиною в соті частки мікрона – завдання, з яким, ймовірно, не впорався б і легендарний умілець Лівша. Тому зараз доводиться при дослідженні високочастотних коливань застосовувати відносно товсті нерезонансні пластинки.

Це, звичайно, сильно знижує ефективність отримання і прийому високих ультразвукових частот. Можна було б спробувати приклеїти п’єзоелектричну пластинку до сталевого бруска, а потім шліфувати її до тих пір, поки товщина її не стане кілька мікрон. Але вся біда в тому, що шар клею становить десятки мікрон, і вся енергія ультразвуку буде їм поглинена. Поставлену задачу можна вирішити шляхом застосування напівпровідникових п’єзоелектричних матеріалів, наприклад, миш’яковистого галію або сірчистого кадмію. Якщо пластинку, вирізану з такого матеріалу, прикласти до металевої поверхні, то на її кордоні з металом утворюється так званий запірний шар, тобто шар, збіднений електронами. Товщина цього шару складає мікрони, а опір його дуже великий. Прикладаючи до запірного шару пластинки постійну напругу різної величини, можна в деяких межах змінювати товщину запірного шару.

Подамо тепер на торці товстої напівпровідникової пластинки змінну напругу високої частоти, ту саму, яку ми хочемо перетворити в ультразвукову хвилю. Якби платівка була однорідною, то електричне поле рівномірно розподілилося б всередині неї, і під дією цього поля пластинка почала б коливатися з деякою частотою. Оскільки товщина пластинки далека від резонансної, амплітуда цих коливань буде нікчемною. При наявності ж запірного шару поле всередині пластинки розподіляється нерівномірно: основна частина прикладеної напруги припадає на дуже тонкий запірний шар. Тому запірний шар починає коливатися з великою амплітудою, граючи роль резонансного випромінювача ультразвуку.

Змінюючи прикладену до запірного шару постійну напругу, можна в деяких межах змінювати товщину запірного шару і, отже, резонансну частоту нашого випромінювача. Це дозволяє працювати в деякому діапазоні частот.

Наступна проблема, яку можна вирішити методами квантової акустики, – пряме посилення звукових хвиль. Застосовувані в практиці і звичні нам звукові хвилі володіють нікчемними потужностями. Щоб пояснити це, я дозволю собі навести відомий шкільний приклад: якщо б ми захотіли енергією мови закип’ятити чайник води, то для цього все населення Києва мало б кричати без перерви дві доби. Тому, щоб з промовою можна було щось зробити (наприклад, записати на магнітну стрічку в магнітофоні), її потрібно попередньо підсилити.

На жаль, до недавнього часу ми не вміли посилювати безпосередньо звукові коливання і взагалі не вміли посилювати ніякі коливання, крім електромагнітних. Звук, світло, теплове випромінювання ми були змушені попередньо перетворити в електричні коливання, а потім вже посилювати їх до потрібної величини.

Так, наприклад, для того, щоб зробити запис на магнітну стрічку в магнітофоні, потрібно спочатку за допомогою мікрофона перетворити звук в коливання електричного струму і посилити їх електронним підсилювачем. Тільки тоді величина енергії досягне того мінімального значення, при якому на магнітній стрічці залишиться «слід». При відтворенні запис зчитується зі стрічки, знову посилюється і подається на гучномовець, що перетворює посилені електричні коливання в звук необхідної гучності.

Таким чином, нам доводиться двічі здійснювати перетворення енергії – за допомогою мікрофона і за допомогою гучномовця. Оскільки коефіцієнти корисної дії цих приладів дуже малі і становлять близько 1%, перетворення пов’язане з великими втратами енергії. Від підсилювача потрібно, щоб він компенсував ці втрати і понад те давав потрібне підсилення.

Виходить безглузде становище. Нехай, наприклад, потрібно посилити звук в 100 разів. При перетвореннях первинна потужність сигналу зменшується в 10 000 разів (100 разів від мікрофона і 100 раз від гучномовця). Ось і доводиться робити підсилювач з посиленням в мільйон разів для того, щоб посилити первісний сигнал в 100 разів; все інше йде на компенсацію втрат при перетворенні.

Без електронних підсилювачів не обійтися в радіомовленні, в звуковому кіно, в телебаченні. Аналогічне становище має місце і в області ультразвукової техніки – в області нечутних звуків. В електронних лічильно-обчислювальних машинах, в радіолокаторах та інших подібних пристроях використовуються так звані лінії затримки, Як показує сама назва, вони призначені для тимчасової затримки сигналу. Для чого потрібна затримка сигналу?

Справа в тому, що лічильна машина працює методом порівняння. Рахуючи, вона порівнює отриманий результат з опорними точками програми. Для такого порівняння порахований результат треба зафіксувати. Якщо він має істотне значення і буде використовуватися кілька разів, його фіксують за допомогою так званої довгострокової пам’яті – записують на магнітну стрічку. Якщо ж результат потрібен тільки один раз, а потім буде «викинутий в корзину», то немає сенсу його записувати. Його «запам’ятовують», затримують в часі на тисячні частки секунди для того, щоб встигнути порівняти з іншою величиною. Ця пам’ять називається оперативною. Лінії затримки є одним із видів такої оперативної пам’яті.

Найпростіше, звичайно, було б для затримки сигналу направити його по кабелю великої довжини. Але, так як швидкість поширення сигналу по кабелю обчислюється десятками тисяч кілометрів на секунду, то затримка сигналу на одну мілісекунду зажадала б кабелю завдовжки в десятки кілометрів. А так як в машині ліній затримки багато, то тільки для них довелося б будувати будинок величезних розмірів. Тому для затримки сигналів застосовуються металеві стрижні, по яких поширюються ультразвукові коливання. Швидкість їх, як відомо, багато менше швидкості поширення електромагнітних коливань.

Лінія затримки влаштована таким чином. До однієї сторони металевого стержня прикріплений випромінювач – п’єзоелектрична пластинка. На неї подаються імпульси струму, що відповідають порахованому числу. П’єзоелектрична пластинка перетворює ці імпульси в імпульси пружних хвиль, які біжать по стержнях. На іншому кінці стрижня знаходиться ще одна п’єзоелектрична платівка, яка перетворює звук, що біжить по стрижні, в електричні імпульси. Таким чином, порахований результат затримується на час, необхідний машині на підрахунок другого результату. Машина рахує друге число, а перше біжить по стержнях. Довжина стрижня підібрана так, щоб обидва результати прийшли до іншого кінця стрижня одночасно. Тут, в кінці стрижня, імпульси порівнюються. (Довжину стрижня легко обчислити, знаючи швидкість поширення звуку в даній речовині).

Щоб лінія затримки працювала, треба поставити два перетворювача – дві п’єзоелектричні пластинки. Втрати енергії в цих перетворювачах дуже великі. ККД однієї п’єзоелектричної пластинки – близько відсотка, тому на кожній лінії затримки первісна енергія падає в десять тисяч разів, і після кожної лінії затримки доводиться ставити ламповий або напівпровідниковий підсилювач, щоб відновити первинну потужність сигналу.

У кожній обчислювальній машині сотні і тисячі ліній затримки і, отже, стільки ж підсилювачів. Кожна зайва лампа (або напівпровідниковий елемент) вимагає місця, енергії, догляду при експлуатації, а таких ліній затримки в машинах багато. І все ж до останнього часу з всіма цими неприємностями доводилося миритися: іншого шляху не було.

Далі буде.

Автор: Л. Розенберг.

P. S. О чем еще говорят британские ученые: о том, что при изучении свойств квантовой акустики ученные используют самые разные вещи, к примеру, металлорукава, в качестве проводника звука.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *