Пьезоэлектричество

В таких случаях хирургам приходится работать буквально «наощупь». Они исследуют глубокие ранения с помощью длинных, слегка изогнутых металлических стержней — так называемых зондов. Вводя зонд в рану, хирург медленно ощупывает её стенки и дно в поисках инородных предметов, которые нужно извлечь при операции.

Когда такой предмет, например, осколок снаряда или кусочек кости, ударяется о зонд, в зонде возникает упругая волна и рука хирурга улавливает лёгкое сотрясение.

Чтобы научиться в совершенстве владеть зондом и безошибочно угадывать характер инородного предмета, нужен большой опыт.

Зондирование значительно упростится, если упругую волну, возникающую в зонде при его столкновении с осколком, улавливать не рукой, а чувствительным пьезоэлектрическим прибором.

Такой прибор был создан во время Великой Отечественной войны на кафедре физики Ленинградского государственного педиатрического медицинского института (слово «педиатр» означает детский врач).

Пьезоэлектрический зонд устроен очень просто. Он состоит из собственно зонда — изогнутого металлического стержня, пьезоэлектрического микрофона, к которому этот стержень прикреплён, и пьезоэлектрических телефонов. Внешний вид такого зонда показан на рисунке 30.

Рис. 30. Так устроен пьезоэлектрический зонд.

По принципу работы пьезоэлектрический зонд напоминает своего рода звукосниматель, в котором вместо иглы применён стержень. Толчок, воспринятый стержнем, передаётся пластинке из сегнетовой соли. Пластинка начинает колебаться, и на её электродах возникают электрические заряды. Эти заряды через соединительные проводники передаются к телефонам, и в телефонах слышится звук.

Чувствительность пьезоэлектрического микрофона и телефонов с пластинками из сегнетовой соли вполне достаточна для того, чтобы звук был громок. Однако она может быть повышена во много раз, если электрические колебания усилить с помощью обычного усилителя, какой есть почти в любом радиоприёмнике.

Пьезоэлектрическим зондом легко не только обнаружить осколок, но и точно установить его характер. Если осколок с зазубренными краями, звук в телефонах будет прерывистым, похожим на царапанье. Если поверхность осколка гладкая, то звук будет похож на шорох.

Пьезоэлектрический зонд имеет и ещё одно, косвенное, достоинство. Телефоны, плотно охватывая уши хирурга, изолируют его от посторонних шумов, помогают сконцентрировать внимание на объекте операции.

По такому принципу можно переоборудовать и другие хирургические инструменты, например нож.

Разрезая мышцы различной упругости, нож вибрирует по-разному. Поэтому по характеру звука, слышимого в телефонах, врач сможет получить представление о том, какую ткань человеческого организма он разрезает.

Подобный «озвученный» нож будет «откликаться» на каждое мышечное волоконце, на каждый кровеносный сосудик, и работа хирурга значительно облегчится. Так хирург получит новое, объективное средство контроля своей работы. Различные хирургические инструменты, оснащённые пьезоэлектрическими приборами, были созданы советскими учёными — врачами и инженерами. Эти инструменты ещё не получили широкого распространения, но перспективы их применения в будущем заманчивы.

Особенно хороши такие инструменты в полевых условиях, когда операцию нужно делать немедленно, без предварительного рентгеновского исследования, без достаточно яркого освещения.

Пьезоэлектрическая аппаратура не требует ни особой регулировки, ни специального ухода. Её размеры весьма невелики — хирургические инструменты, оборудованные пьезоэлектрическими приборами, занимают немного места и могут храниться в чехлах или небольших шкафах.

Сделать и испытать пьезоэлектрический зонд или нож может любой врач, знакомый с основами пьезоэлектричества, описанными в этой книжке. Особенно хороший результат может дать применение пьезотекстурных элементов. Единственным недостатком текстуры из сегнетовой соли в данном случае является то, что она не выдерживает высокой температуры. Поэтому пьезоэлектрические инструменты нужно будет делать разборными, чтобы избежать нагрева текстурного элемента при кипячении ножа или зонда.

В промышленных образцах пьезоэлектрических элементов лучше всего применять пьезокерамику, которая не боится высоких температур. Тогда пьезоэлектрический элемент можно делать как одно целое с лезвием или стержнем.

Пьезоэлектрическую пластинку по праву можно назвать «ухом» хирурга, потому что она позволяет использовать при проведении операций не только зрение и осязание, но и слух, который в течение многих веков был для хирургов «мёртвым капиталом».

Так пьезоэлектричество служит гуманному делу сохранения и продления человеческой жизни.

13. Пьезоэлектрический резонатор

Если качнуть маятник, то он начнёт колебаться. Размах колебаний будет постепенно затухать, но их частота останется постоянной. Именно поэтому маятник и применяют в часах.

Частота колебаний маятника зависит от его размеров и не зависит от внешних воздействий: силы первоначального толчка, сопротивления среды и т. д. Поэтому она называется собственной частотой.

Подвесим к жёсткой стойке несколько маятников. Толкнём один из них, чтобы он начал колебаться. Энергия колебаний этого маятника будет передаваться через общую стойку другим маятникам. Однако придут в колебательное движение только те маятники, собственные частоты которых совпадают с частотой колебаний первого маятника.

Передача колебаний от какого-либо колеблющегося тела другим телам, обладающим такими же собственными частотами, называется резонансом (это слово имеет латинское происхождение и означает отзвук или отклик).

Возьмём гитару. Настроим две струны на одинаковый тон. Если теперь дёрнуть одну струну, то другая сразу же отзовётся. Это ещё один пример резонанса.

Когда на упругое тело (пружину, маятник и др.) воздействует знакопеременная нагрузка с частотой, равной собственной частоте этого тела, наблюдается возрастание размаха колебаний вследствие резонанса. Поэтому, чтобы как можно сильнее раскачать качели, нужно толкать их в такт колебаниям.

Если собственная частота колебаний какой-нибудь машины совпадает с частотой вибрации, то размах колебаний резко возрастает, вплоть до разрушения той или иной детали. Именно резонансом объясняются описанные выше случаи раскачивания зданий и разрушения мостов от незначительной знакопеременной нагрузки, которая случайно действовала с резонансной частотой.

Пьезоэлектрическая пластинка, как и любое другое упругое тело, обладает собственной частотой колебаний. Переменный ток, подводимый к электродам пластинки, можно рассматривать как внешнюю силу, вызывающую её периодическое сжатие и расширение. Если частота этой внешней силы далека от собственной частоты пластинки, то размах колебаний сравнительно невелик. Но по мере приближения частоты переменного напряжения к собственной частоте пластинки размах колебаний возрастает всё более резко и при резонансе достигает максимума. В этом случае пьезоэлектрическая пластинка является резонансной электромеханической колебательной системой, которую для простоты называют пьезоэлектрическим резонатором.

Резонансные свойства пьезоэлектрической пластинки нередко используются в известных нам ультразвуковых излучателях и приёмниках. Ведь при резонансе размах колебаний максимален, а следовательно, и наиболее велика мощность излучаемых пластинкой ультразвуковых волн.

В электроакустических приборах, напротив, стараются исключить возможность резонанса, рассчитывая пьезоэлементы так, чтобы их собственные частоты не были звуковыми. В противном случае колебания резонансной частоты воспроизводились бы гораздо громче прочих, то есть наблюдались бы искажения.

Наибольшее распространение получили пьезокварцевые резонаторы. Упругость кварца такова, что при размерах, исчисляемых миллиметрами и сантиметрами, собственные частоты кварцевых пластинок лежат в пределах от тысячи до многих миллионов колебаний в секунду. А как раз эти частоты широко применяются в одной из важнейших технических отраслей — в радиотехнике.