Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

КВАНТОВАЯ АКУСТИКА

«Перекрестными» эффектами Л. Л. Мясников об­разно назвал эффекты, возникающие при взаимодей­ствии полей или потоков разной природы, например звукового и магнитного, светового и звукового и т. п.

Область перекрестных эффектов поистине безгра­нична, в настоящее время изучены лишь некоторые «разнопольные» взаимодействия. Вот, например, как взаимодействует ультразвук с металлом, находящим­ся в магнитном поле. Вследствие звуковых колеба­ний материала в магнитном поле в материале созда­ются вихревые токи, которые в свою очередь вызы­вают появление вторичного электромагнитного поля. По амплитуде этого поля можно, между прочим, су­дить об интенсивности ультразвука в металле. Эф­фект обратим: поверхностная радиоволна, направляе­мая вдоль металлического стержня с постоянным магнитным полем (а при некоторых условиях и без него), создает в стержне ультразвуковые колебания.

Магнитоакустический эффект весьма чувствите­лен к структурному состоянию металлов и сплавов, степень проявления эффекта зависит от рода и коли­чества даже весьма малых примесей или добавок в материале. Пользуясь этим методом, можно создать материалы с максимальным или, наоборот, мини­мальным коэффициентом механических потерь на ультразвуковых частотах.

Предсказанные теоретически С. А. Альтшуллером и исследованные экспериментально У. X. Копвилле-мом и другими акустический электронный и ядерный магнитные резонансы обнаружены в настоящее вре­мя во множестве кристаллов, содержащих парамаг­нитные примеси. Эти опыты дают интереснейшие све­дения и представления не только о характере маг-нитоакустических резонансов внутри вещества, но и о динамических свойствах кристаллов на гиперзвуко­вых частотах 10⁹ герц и более.

Звуковые колебания могут менять картину взаи­модействия атомных пучков с пьезоэлектрическим материалом. Так, в опытах Л. Л. Мясникова и его сотрудников при облучении кварцевой пластинки атомными пучками калия, рубидия, цезия и таллия наблюдались дифракционные картины пространствен­ного рассеяния пучков. У той же пластинки, приве­денной в колебательное движение на ультразвуковых частотах, дифракционные максимумы рассеяния атомных пучков исчезали.

Еще в 30-е годы нашего столетия был известен акустико-оптический эффект, являвшийся продуктом взаимодействия акустических и световых волн. В жид­кости возбуждалась система плоских ультразвуко­вых волн. В звуковой волне чередуются сгущения и разрежения среды, поэтому подобная структура мо­жет действовать как твердая дифракционная решет­ка. Действительно, при направлении на структуру светового луча появлялись отчетливые дифракцион­ные максимумы и минимумы. Очень эффектные фо­тографии этих дифракционных картин были получе­ны Люка и Бикаром во Франции, Раманом и Натом в Индии, Соколовым в СССР. Интенсивность наибо­лее сильного центрального максимума являлась ярко выраженной функцией амплитуды ультразвуковых волн. Перед второй мировой войной английская фир­ма «Скофони» разработала на этом принципе моду­лятор света и применяла его в телевизионных установ­ках с большим экраном и высокой четкостью.

Г. А. Аскарьяном и другими в. 1963'году было со­общено в печати о генерации звука при поглощении лазерного излучения в жидкости. Приблизительно в это же время подобное явление наблюдал Л. М. Лям-шев. Некоторые исследователи назвали это направ­ление «разнопольных» взаимодействий оптоакустикой.

Механизмы оптического возбуждения звука мно­гообразны. Звук может возникать вследствие погло­щения интенсивного света в среде. Этот механизм связан с релаксационными процессами, изучение ко­торых является предметом молекулярной акустики (заметим, что молекулярная акустика сама по себе представляет обширную область, и отечественные щколы И. Г. Михайлова, В. Ф. Ноздрева и других

4 И. И, Клюкин

имеют большие достижения в этой области). Кроме того, звук может возбуждаться в результате резкого изменения агрегатного состояния среды (испарение, ионизация) вследствие электрострикционного эф­фекта.

Американец Ларсон, исследовавший возбуждение звука в твердых телах при воздействии модулирован­ного лазерного излучения,'установил, что это излуче­ние генерирует в среде сильный звук в направлении, перпендикулярном направлению распространения луча лазера.

Различными авторами исследовались случаи излу­чения звука при воздействии на вещество мощных тепловых полей, импульсного электрического напря­жения и т. д.

По мере повышения частоты, то есть уменьшения длины волны ультраакустических колебаний звуко­вые волны начинают «замечать» дискретную струк­туру твердых тел — кристаллическую ионную ре­шетку. Здесь становятся плодотворными корпуску­лярные представления. Согласно современной физике, любая волна ведет себя при определенных условиях как частица, и наоборот: любая частица ведет себя при определенных условиях как волна. Один из клас­сиков физики Уильям Брэгг иронически заметил по этому поводу, что каждый физик вынужден считать свет состоящим по понедельникам, средам и пятни­цам из частиц, а остальные дни недели — из волн. А вот что пишет по этому поводу в своей замечатель­ной научно-популярной книге «Глаз и солнце» ака­демик С. И. Вавилов*: «Материя, т.е. вещество и свет, одновременно обладает свойствами волн и ча­стиц, но в целом это не волны и не частицы, и не смесь того и другого (курсив С. И. Вавилова — И. /(.). Наши механические понятия не в состоянии полно­стью охватить реальность, для этого не хватает на­глядных образов».

С тех пор последовало много работ, подтверждаю­щих эквивалентность волновой и квантовой механики.

* С. И, Вавилов. Глаз и солнце. Изд. 9-е. М., «Наука», 1976, с. 42.

И хотя отдельные противоречия остаются, квантовая механика позволила сделать выдающиеся откры­тия.

Звуковой волне соответствует частица, которая была названа фононом — квантом звука. Разумеется, полной аналогии здесь нет. Частицы света — фото­ны— элементарны, то есть не состоят из других ча­стиц. Они единообразны, как единообразны электро­магнитные поля, они устойчивы. Параметры фононов не имеют той устойчивости, которая свойственна па­раметрам элементарных частиц. В процессе распро­странения звука изменяется характер упругих коле­баний, волна из поперечной может переходить в про­дольную, поверхностную и т. п. Эти процессы надо рассматривать как превращения фононов в другие виды, то есть следует предположить многообразие фононов.

Несмотря на отсутствие данных о параметрах фо­нонов для различных видов упругих колебаний, вве­дение квантовых представлений в акустику уже при­несло свои плоды. Примером служит создание аку­стической^ мазера, подобного электромагнитному мазеру или лазеру.

Схема и принцип действия фонон-электронного усили­теля высокочастотного звука.