По кварцу бежит звук

Как вы думаете, почему у нас цветные телевизоры появились позже черно-белых? Правильно, по техническим причинам. Однако совсем не по тем, о каких вы думаете.

Старые москвичи помнят коммунальные квартиры 50-х годов и телевизионный приемник "КВН-49". Возле крошечного экрана собирались не только обитатели квартиры, но и соседи по этажу. Первых дикторов - прелестных Нину Кондратову и Валю Леонтьеву - приветствовали как близких людей. Каждая телевизионная передача живо обсуждалась. Любителей и почитателей набивалось в комнату столько, что для цветного варианта телевизионного приемника места не осталось бы. По тем временам к нему полагался кабель длиной 13 км. Вы спросите, откуда взялась такая цифра?

В цветном телевизоре за передачу на экран всех цветов радуги ответственны несколько узлов. Один из них - линия задержки, и нужна она вот для чего. Изображение на экране формируется из 625 строк, каждая из которых разворачивается в течение 64 мкс (напомним, что 1 с состоит из 1 млн. мкс). В приемнике для формирования цветоразностных сигналов необходимо одновременное присутствие двух цветовых сигналов. Для их совпадения во времени и используется ультразвуковая линия задержки (УЛЗ): задержка производится как раз на 64 мкс.

Попробуем сделать линию задержки из медной проволоки. Телевизионный сигнал будет распространяться по ней со скоростью примерно 200000000 м/с, или 0,2 км/мкс. Для того чтобы задержать его на нужное количество микросекунд, требуется кабель длиной почти 13 км. Естественно, в коммунальной квартире места для него не найдется.

Конечно, это шутка. Однако поиск материалов, способных служить линиями задержки, был делом совершенно серьезным. Решение нашлось только после того, как научились трансформировать электромагнитную волну в звуковую. Как известно, акустические волны распространяются в твердых телах со скоростью примерно 2000 м/с или 0,2 см/мкс. Для задержки сигнала на 64 мкс требуется стержень длиной всего 13 см. Он свободно разместится в коробке телевизионного приемника.

Однако что же преобразует электромагнитный сигнал в акустический? Разумеется, кварц!

В 1880 г. французские ученые, братья Поль Жан Кюри и Пьер Кюри, экспериментировали с кристаллами горного хрусталя. Они подсоединили их к гальванометру и подвергли разнообразным сжатиям и растяжениям. В общем-то, опыты могут показаться довольно безумными. Ведь не может же в диэлектрике, каковым является кварц, возникнуть электрический ток! Тем не менее, как и в случае с термопарами, стрелка гальванометра двинулась. Причем если кристалл кварца сжимали, то на его гранях, перпендикулярных направлению сжатия, возникали разноименные электрические заряды: на одной грани положительные, на другой - отрицательные. При этом стрелка гальванометра двигалась вправо. Если же кристалл растягивали, то стрелка гальванометра двигалась влево, так как грани перезаряжались (рис. 17).

Рис. 17. Появление электрических зарядов на гранях кристалла кварца при его сжатии (а) и растяжении (б)

Открытое явление было названо пьезоэлектричеством (ньезо по-гречески "давлю"). Позднее братья Кюри обнаружили, что пьезоэлектрический эффект обратим. Когда на гранях кристалла создавали разноименные электрические заряды, то он либо сжимался, либо растягивался в зависимости от положения зарядов.

Вернемся к цветному телевизору и акустическим линиям задержки. Принцип их работы ясен из рис. 18. Электромагнитный сигнал с помощью пластинки из пьезокварца преобразуется в звуковой и задерживается в звукопроводе на необходимое время. Следующая пластинка вновь возвращает сигнал в электромагнитный диапазон. Размеры звукопровода не должны зависеть от колебаний температуры. Материал с нулевым коэффициентом термического расширения нам уже известен - это кварцевое стекло с примесью оксида титана.

Рис. 18 Схема работы акустической линии задержки на объемных волнах: 1 - электромеханический преобразователь; 2 - звукопровод; 3 - электромагнитная волна; 4 - акустическая волна

Таким образом, в современных цветных телевизорах работают две модификации кремнезема - пьезокварц и лешательерит.

Акустические линии задержки пригодились во многих отраслях современной техники. Радиолокация, навигационная техника, кодирующие и запоминающие устройства в ЭВМ, космическая техника не могут обойтись без них. Во многих случаях кварцевое стекло в качестве звукопроводов не годилось. Уж очень быстро затухал в нем звук - на протяжении нескольких сантиметров. Требовался материал более упругий, чем стекло. Им оказался все тот же кварц. На его основе изготовлены линии задержки, по которым бегут акустические волны с частотой в сотни мегагерц.

Настоящую революцию в техническом применении кварца совершила работа советского ученого К. Н. Баранского. Во время войны он был радиоразведчиком. А в мирное время, работая доцентом МГУ, занимался изучением звуковых колебаний. В 1957 г. Баранский доказал, что в линиях задержки пьезокварцевые электромеханические преобразователи не нужны. Акустические волны можно возбудить непосредственно на поверхности монокристалла кварца. В результате частота генерируемых волн подскочила сразу до 10 ГГц. Через некоторое время американские ученые увеличили эту цифру в 10 раз.

В 1885 г. Д. Рэлей (США) предсказал существование упругих возмущений, распространяющихся в твердом теле вдоль его свободной границы и затухающих с глубиной. Простейшим случаем волн Рэлея, или поверхностных акустических волн (ПАВ), являются волны на земной поверхности, возникающие во время землетрясений. В последние годы широкое распространение получили устройства, работающие на ПАВ. Техника ПАВ широко используется в видеозаписи и воспроизведении изображений.

На рис. 19 изображена кварцевая пластинка, вырезанная в строго определенном направлении. На ее поверхность в условиях вакуума напылен металл таким образом, чтобы образовался встречно-штыревой преобразователь. Схема работы такова: электромагнитный сигнал, подаваемый слева, преобразуется в поверхностную акустическую волну, задерживается на необходимое время и вновь преобразуется в электромагнитную волну. Линия задержки, работающая на ПАВ, отличается от прочих способностью пропускать акустические колебания в необыкновенно узком диапазоне. Поэтому ее применяют в качестве узкополосного фильтра, который успешно работает в телевидении, радио, радиорелейных линиях и т. п. Такой фильтр не пропускает "чужие" сигналы и позволяет принимать и обрабатывать информацию без помех.

Рис. 19. Схема работы акустической линии задержки на ПАВ: 1 - пластинка кварца; 2 - встречно-штыревой преобразователь; 3 - ПАВ

Кварцевая линия задержки может служить ячейкой краткосрочной, или динамической, памяти ЭВМ. Машина, получив промежуточный результат, преобразует его в акустический сигнал и отправляет в линию задержки. Сигнал хранится от одной до нескольких сотен микросекунд. За это время ЭВМ успевает сделать тысячи операций и получает из блока динамической памяти необходимую информацию.

Линии задержки помогут космическим кораблям лучше видеть и слышать. Например, мы приближаемся к Марсу и готовимся совершить мягкую посадку. Бортовой радиолокатор ощупывает электромагнитными лучами планету. Лучи отражаются и возвращаются к приемной антенне. Одновременно сигнал радиолокатора подается в серию УЛЗ различной длины. Специальное устройство сравнивает время прихода сигналов от поверхности Марса и из линий задержки. В результате расстояние до посадочной площадки определяется с точностью до 1 м. Располагая достоверной информацией об окружающей обстановке, бортовой компьютер маневрирует работающими двигателями, выбирая оптимальные режимы, и наконец, совершает штатную, как говорят космонавты, посадку.

В заключение расскажем о применении пьезокварца в будущем. Считается, что гравитационные волны (если они, конечно, существуют) распространяются быстрее света. Заманчиво было бы использовать их для сверхдальней космической связи. Но где взять детектор для улавливания этих волн? Английский ученый Бонди указывал, что если перед фронтом бегущей волны расположены какие-то материальные точки, то они будут непременно расходиться под действием энергии волны. Если в качестве материальных точек использовать атомы кварца, то на фронте волны они также будут стремиться к расхождению. При этом вследствие пьезоэффекта непременно возникает электрический ток. А уж его можно зафиксировать гальванометрами.

С помощью достаточно массивного кристалла кварца можно даже уловить гравитационное излучение. Собственно, в этом и заключался опыт Вебера. Американский ученый использовал полуторатонный цилиндр с вмонтированными по его длине кварцевыми пьезодатчиками. В процессе исследований Вебер отметил несколько всплесков гравитационного излучения. Однако многие физики нашли в эксперименте изъяны. Так до сих пор и неясно - есть гравитационное излучение или его нет. На этот вопрос сможет ответить тот, кто вырастит монокристалл кварца весом не менее 1 т. Перед поколением молодых ученых стоит сложная, но выполнимая задача.