За кварцу біжить звук
Як ви думаєте, чому у нас кольорові телевізори з'явилися пізніше чорно-білих? Правильно, з технічних причин. Однак зовсім не за тими, про які ви думаєте.
Старі москвичі пам'ятають комунальні квартири 50-х років і телевізійний приймач "КВН-49". Біля крихітного екрану збиралися не тільки мешканці квартири, а й сусіди по поверху. Перших дикторів - чарівних Ніну Кондратову і Валю Леонтьєву - вітали як близьких людей. Кожна телевізійна передача жваво обговорювалася. Любителів і шанувальників набивалося в кімнату стільки, що для кольорового варіанту телевізійного приймача місця не залишилося б. На ті часи до нього покладався кабель довжиною 13 км. Ви запитаєте, звідки взялася така цифра?
В кольоровому телевізорі за передачу на екран всіх кольорів веселки відповідальні кілька вузлів. Один з них - лінія затримки, і потрібна вона ось для чого. Зображення на екрані формується з 625 рядків, кожна з яких розгортається протягом 64 мкс (нагадаємо, що 1 з складається з 1 млн. Мкс). У приймальнику для формування цветоразностних сигналів необхідно одночасна присутність двох колірних сигналів. Для їх збігу в часі і використовується ультразвукова лінія затримки (УЛЗ): затримка виробляється якраз на 64 мкс.
Однак що ж перетворює електромагнітний сигнал в акустичний? Зрозуміло, кварц!
У 1880 р французькі вчені, брати Поль Жан Кюрі і П'єр Кюрі, експериментували з кристалами гірського кришталю. Вони під'єднали їх до гальванометра і піддали різноманітним стисканням і розтягування. В общем-то, досліди можуть здатися досить божевільними. Адже не може ж в діелектрику, яким є кварц, виникнути електричний струм! Проте, як і в випадку з термопарами, стрілка гальванометра рушила. Причому якщо кристал кварцу стискали, то на його гранях, перпендикулярних напрямку стиснення, виникали різнойменні електричні заряди: на одній грані позитивні, на інший - негативні. При цьому стрілка гальванометра рухалася вправо. Якщо ж кристал розтягували, то стрілка гальванометра рухалася вліво, так як межі перезаряджати (рис. 17).
Мал. 17. Поява електричних зарядів на гранях кристала кварцу при його стисканні (а) і розтягуванні (б)
Відкрите явище було названо П'єзоелектрика (ньезо по-грецьки "тисну"). Пізніше брати Кюрі виявили, що п'єзоелектричний ефект звернемо. Коли на гранях кристала створювали різнойменні електричні заряди, то він або стискалася, або розтягувався в залежності від положення зарядів.
Повернемося до кольорового телевізора і акустичним лініях затримки. Принцип їх роботи зрозумілий з рис. 18. Електромагнітний сигнал за допомогою пластинки з пьезокварца перетворюється в звуковий і затримується в звукопроводе на необхідний час. Наступна платівка знову повертає сигнал в електромагнітний спектр. Розміри звукопровода не повинні залежати від коливань температури. Матеріал з нульовим коефіцієнтом термічного розширення нам вже відомий - це кварцове скло з домішкою оксиду титану.
Мал. 18 Схема роботи акустичної лінії затримки на об'ємних хвилях: 1 - електромеханічний перетворювач; 2 - звукопровод; 3 - електромагнітна хвиля; 4 - акустична хвиля
Таким чином, в сучасних кольорових телевізорах працюють дві модифікації кремнезему - пьезокварц і лешательеріт.
Акустичні лінії затримки стали в нагоді в багатьох галузях сучасної техніки. Радіолокація, навігаційна техніка, що кодують і пристрої, що запам'ятовують в ЕОМ, космічна техніка не можуть обійтися без них. У багатьох випадках кварцове скло в якості звукопроводу не годилося. Вже дуже швидко згасав у ньому звук - протягом декількох сантиметрів. Був потрібен матеріал більш пружний, ніж скло. Ним виявився все той же кварц. На його основі виготовлені лінії затримки, по яких біжать акустичні хвилі з частотою в сотні мегагерц.
Справжню революцію в технічному застосуванні кварцу зробила робота радянського вченого К. Н. Баранського. Під час війни він був радіорозвідники. А в мирний час, працюючи доцентом МДУ, займався вивченням звукових коливань. У 1957 р Баранський довів, що в лініях затримки пьезокварцевиє електромеханічні перетворювачі не потрібні. Акустичні хвилі можна порушити безпосередньо на поверхні монокристала кварцу. В результаті частота хвиль, що генеруються підскочила відразу до 10 ГГц. Через деякий час американські вчені збільшили цю цифру в 10 разів.
На рис. 19 зображена кварцова платівка, вирізана в строго визначеному напрямку. На її поверхню в умовах вакууму напилюв метал таким чином, щоб утворився зустрічно-штирьовий перетворювач. Схема роботи така: електромагнітний сигнал, що подається зліва, перетворюється в поверхневу акустичну хвилю, затримується на необхідний час і знову перетворюється в електромагнітну хвилю. Лінія затримки, що працює на ПАР, відрізняється від інших здатністю пропускати акустичні коливання в надзвичайно вузькому діапазоні. Тому її застосовують як вузькосмугового фільтра, який успішно працює в телебаченні, радіо, радіорелейних лініях і т. П. Такий фільтр не пропускає "чужі" сигнали і дозволяє приймати і обробляти інформацію без перешкод.
Мал. 19. Схема роботи акустичної лінії затримки на ПАР: 1 - пластинка кварцу; 2 - зустрічно-штирьовий перетворювач; 3 - ПАР
Кварцова лінія затримки може служити осередком короткостроковій, або динамічної, пам'яті ЕОМ. Машина, отримавши проміжний результат, перетворює його в акустичний сигнал і відправляє в лінію затримки. Сигнал зберігається від однієї до кількох сотень мікросекунд. За цей час ЕОМ встигає зробити тисячі операцій і отримує з блоку динамічної пам'яті необхідну інформацію.
Лінії затримки допоможуть космічним кораблям краще бачити і чути. Наприклад, ми наближаємося до Марса і готуємося здійснити м'яку посадку. Бортовий радіолокатор обмацує електромагнітними променями планету. Промені відбиваються і повертаються до приймальні антени. Одночасно сигнал радіолокатора подається в серію УЛЗ різної довжини. Спеціальний пристрій порівнює час приходу сигналів від поверхні Марса і з ліній затримки. В результаті відстань до посадкової площадки визначається з точністю до 1 м. Маючи в своєму розпорядженні достовірної інформацією про навколишнє оточення, бортовий комп'ютер маневрує працюючими двигунами, вибираючи оптимальні режими, і нарешті, робить штатну, як кажуть космонавти, посадку.
На закінчення розповімо про застосування пьезокварца в майбутньому. Вважається, що гравітаційні хвилі (якщо вони, звичайно, існують) поширюються швидше за світло. Заманливо було б використовувати їх для наддалекої космічного зв'язку. Але де взяти детектор для уловлювання цих хвиль? Англійський вчений Бонді вказував, що якщо перед фронтом хвилі, що біжить розташовані якісь матеріальні точки, то вони будуть неодмінно розходитися під дією енергії хвилі. Якщо в якості матеріальних точок використовувати атоми кварцу, то на фронті хвилі вони також будуть прагнути до розбіжності. При цьому внаслідок п'єзоефекту неодмінно виникає електричний струм. А вже його можна зафіксувати гальванометра.
За допомогою досить масивного кристала кварцу можна навіть вловити гравітаційне випромінювання. Власне, в цьому і полягав досвід Вебера. Американський вчений використовував півторатонний циліндр з вмонтованими по його довжині кварцовими п'єзодатчики. У процесі досліджень Вебер відзначив кілька сплесків гравітаційного випромінювання. Однак багато фізиків знайшли в експерименті вади. Так до сих пір і неясно - є гравітаційне випромінювання або його немає. На це питання зможе відповісти той, хто виростить монокристал кварцу вагою не менше 1 т. Перед поколінням молодих вчених стоїть складне, але здійсненне завдання.