Звуко-електроніка

Звук

Уявіть: людина починає говорити і у неї відразу ж темніє в очах. Те ж саме станеться, якщо вона клопочеться в долоні або стукне кулаком по столу. Так могло б відбуватися, будь звукові хвилі непрозорі для світла. Тоді, розходячись від джерела звуку, вони оточать його оболонкою, всередину якої світло не може потрапити. Правда, у міру загасання звуку «стінки» оболонки будуть тоншати, поки не стануть прозорими, і тоді темрява розсіється. Але варто знову порушити звук – і він знову на короткий час «затьмарить світло».

Несолодким було б життя людини серед звукових хвиль, що загороджують дорогу світлу. На щастя, чутні нашим вухом звуки цим не грішать. І навіть ультразвуки, які видає, наприклад, кажан, аж ніяк не обволікають його мороком. Але якщо ми піднімемося за шкалою частот звукових коливань ще вище…

До недавнього часу рекордом була частота близько мільярда коливань в секунду. Далі простягалася таємнича область гіперзвуку або, як його ще називають, ультраультразвуку. Проникнути в неї виявилося нелегкою справою.

Зазвичай у випромінювачах і приймачах ультразвуку використовують пластинки з п’єзоелектриків. В електричному полі вони злегка змінюють свої розміри. Якщо поле буде змінним, платівка почне вібрувати, стаючи генератором звуку. Вона ж може служити і приймачем звуку. Під дією звукових коливань на поверхні її з’являються заряди, а всередині виникає змінне електричне поле, яке реєструється приладами.

На перший погляд, за допомогою п’єзоелектриків можна отримувати ультразвукові коливання будь-якої частоти. Адже вона в точності дорівнює частоті коливань поля, яке неважко зробити будь-яким.

На жаль, насправді все не так-то просто. Для ефективної роботи випромінювача або приймача треба, щоб товщина пластинки відповідала половині довжини звукової хвилі. В цьому випадку пластинка грає роль резонатора. Але чим вище частота, тим менше довжина хвилі і тим тонше повинна бути платівка. Поки мова йде про міліметри – нічого. Однак в області дуже високих частот потрібні пластинки товщиною в мікрони. Спробуй-но, зроби таку – не вийде.

Правда, на худий кінець можна задовольнятися і платівкою з більшою товщиною, ніж хотілося б. Але тоді ми не забезпечимо резонансу, і амплітуда коливань буде невелика. Тобто ультразвук вийде слабеньким. До цього додається ще одна малоприємна річ. Чим частіше звукові коливання, тим швидше вони згасають. Наш слабенький ультразвук затихне, ледве встигнувши виникнути. Зрозуміло, що толку від нього буде небагато.

Словом, отримати гіперзвукові коливання – це складна проблема. Однак вченим все ж таки вдалося (як – це ви дізнаєтеся трохи пізніше) з нею впоратися. І овчинка варта була вичинки: дослідники потрапили у дивовижний світ ультраультразвуку з частотою до 20 мільярдів герц!

Швидкість звуку в твердої речовини становить близько чотирьох кілометрів в секунду. За швидкістю і частотою легко знайти довжину хвилі. При частоті кілька мільярдів герц вона виходить така ж, як і у видимого світла.

Що ж, у багатьох випадках цей звук і поводиться, як світло. Проходячи через речовину, він «помічає» не тільки атоми або шниряючі між ними електрони, а й фотони – кванти світла. І, найцікавіше, взаємодіє з ними.

Нічого особливого тут немає. На це здатний навіть «звичайний» ультразвук. Якщо через прозорий кристал, за яким він поширюється, пропустити збоку промінь світла, то можна побачити дифракційний візерунок – чергування світлих і темних смуг. Це безперечна ознака взаємодії.

Однак ультраультразвук взаємодіє зі світлом інакше. Коли він стикається зі світлом під прямим кутом, то ніяких смуг не побачиш. Так само, як не побачиш їх, якщо пропускати через прозорий кристал два взаємно перпендикулярних променя світла. Інша справа, якщо звук і світло стикаються під гострим кутом. При цьому світло відбивається від звукових хвиль, немов від дзеркала.

Щось подібне фізикам відомо. Рентгенівські промені (як і світло, це теж електромагнітні коливання, але з дуже маленькою довжиною хвилі) можуть відбиватися від шару атомів в кристалі. Це явище називають ефектом Брегга – на честь вченого, який його виявив.

Але між відбиванням від звуку і від шару атомів є велика різниця. Рентгенівські промені відбиваються від нерухомої поверхні. А звукове «дзеркало»? У цьому випадку поверхня, що відбиває рухається зі швидкістю звуку. Тут спостерігається ще одне явище – ефект Доплера. Суть його в тому, що при відбиванні від рухомого предмета, частота світла (або звуку – це все одно) змінюється.

Наприклад, якщо поверхня, що відбиває – в нашому випадку звукова хвиля – рухається від джерела світла, то частота відбитого світла зменшиться. При цьому як випливає з законів квантової механіки, менше стане і енергія світлових квантів. На що ж світло витратило свою енергію? Неважко здогадатися: віддало її звуковій хвилі. В результаті звук повинен підсилитися!

Ясно, що на цьому принципі можна створити підсилювач звуку. Така можливість з’явилася з освоєнням ультраультразвукової «цілини». Як же все-таки це вдалося зробити?

Вже говорилося, що коливання дуже великої частоти в речовині швидко згасає. Однак загасання з пониженням температури зменшується. Більш того, подібно до електричного струму, звук при дуже низьких температурах проходить через деякі речовини, майже не втрачаючи енергії, тобто майже не затухаючи. Це свого роду надпровідність, тільки не електрична, а звукова.

Коли її виявили у кварцу, акустики прийшли в захват. Адже у кварцу хороші п’єзоелектричні властивості. А звукову надпровідність він набуває вже при 20 градусах абсолютного нуля. Досить опустити кварц у рідкий водень, і про загасання звуку можна не турбуватися.

Кварцовий стрижень – серце генератора гіперзвукових коливань. Щоб порушити їх, один кінець стержня вставляють в резонуючу порожнину. Туди «накачують» електромагнітне поле високої частоти. Воно «барабанить» генератор по торцю стержня і змушує його вібрувати з такою ж частотою. Вздовж стрижня біжать ультраультразвукові коливання.

Кварцовий стрижень охолоджений до температури рідкого водню. І звук в ньому майже не згасає. Все ж стрижень доводиться весь час «накачувати» звуком. Справа в тому, що другий кінець стрижня теж поміщений в резонуючі порожнини. Частина звукової енергії перетворюється там в електромагнітні коливання, які можна вловити чутливими приладами. За їхніми свідченнями судять, як кварц поглинає звуки різної частоти при різних температурах.

Причини електричної надпровідності повністю не ясні і по цей день. А адже це явище знайоме фізикам понад півстоліття. Звукова ж надпровідність стала відома лише недавно. Однак «розкусити» її виявилося значно простіше, ніж електричну надпровідність. Більш того, теорія слабкішого звуку була розроблена раніше, ніж з ним стали мати справу експериментатори. Це примітно, бо зазвичай буває навпаки.

Вперше такий звук повідомив про себе за допомогою формул, виведених фізиком А. І. Ахізером. А ховалося за ним ось що.

Вдарили по торцю пружного стрижня. У ньому негайно виникають хвилі механічних стиснень і розтягувань. Це і є звукові коливання. Вони змушують кристалічну решітку твердого тіла вібрувати ще сильніше.

Що значить «ще сильніше»? А те, що решітка ніколи не буває нерухомою. Атоми в її вузлах весь час коливаються. Розмах цих коливань залежить від температури. Виходить, що решітка вібрує не тільки від удару по стрижню, але і під дією тепла. Іншими словами, тепло змушує кристал звучати. (Звичайно, дуже тихо, але, взагалі кажучи, цей звук можна почути).

Коливаючись навколо положення рівноваги, атом то отримує від своїх сусідів, то віддає їм порції енергії – кванти. При теплових коливаннях атомів це кванти теплової енергії. А при звукових? Зрозуміло, кванти звукової енергії. І ті, і інші породжуються вібраціями решітки. Тому фізики називають їх одним словом – фонони (по аналогії з фотонами).

Подібно до молекул повітря в кімнаті, фонони хаотично рухаються всередині твердого тіла. Якщо його температура не змінюється, їх середня щільність постійна. Втім, лише до тих пір, поки ми не порушимо в твердому тілі «справжній» звук.

Він викличе у фононному «газі» хвилю стиснень і розряджень. Щоб стиснути повітря або зробити його більш розрідженим, треба затратити роботу. Фононний «газ» в цьому сенсі не відрізняється від повітря. Тому звук змушений віддати йому частину своєї енергії. Який буде результат – здогадатися неважко. Фонони починають енергійніше «розштовхувати» атоми. В результаті температура тіла підвищується. За рахунок чого? Ну, звичайно за рахунок енергії звуку. А сам звук при цьому слабшає.

Але це означає цікавий висновок. Ступінь поглинання звуку залежить від щільності фононного «газу». Значить, від температури. Якщо речовину охолодити, теплових фононів в ній стане менше. Ось чому при дуже низьких температурах спостерігається звукова надпровідність.

Правда, вона виявлена не у всіх речовинах. Крім кварцу, її знайшли у чистого германію, кремнію, сапфіра. Примітно, що всі ці речовини погано проводять електричний струм. Іншими словами, в них немає вільних електронів. А якби вони були? Давайте подивимося, як звук буде вести себе в кристалі напівпровідника, де є невелика кількість вільних електронів. Як і фонони, електрони теж відбирають у звуку енергію.

Тільки вони більш вимогливі. Особливо електрони напівпровідників, що володіють ще і п’єзоелектричними властивостями. Чому – зрозуміти не складно. Звукові коливання в таких речовинах нерозлучні зі змінним електричним полем. Поширюючись разом зі звуком, поле «чіпляється» за електрони. Результат залежить від того, що рухається швидше – звук або електрони.

Далі буде.

Автор: В. Тоболів.

Leave a Reply

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