И Клюкин - Удивительный мир звука

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. Лямшев. 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 школы И. Г. Михайлова, В. Ф. Ноздрева и других 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. К.). Наши механические понятия не в состоянии полностью охватить реальность, для этого не хватает наглядных образов".

С тех пор последовало много работ, подтверждаю щих 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 акустического мазера, подобного электромагнитному мазеру или лазеру.

Схема и принцип действия фонон-электронного усилителя высокочастотного звука.

1 -- пьезополупроводник, 2 -- источник звука; 3 -- источник света; 4-источник постоянного электрического напряжения.

По мере движения звуковой волны ее амплитуда увеличивается вследствие взаимодействия между электронами Э и фононами Ф.

Другой пример -- квантовый усилитель ультразвука.

Как ни странно, но прямого усилителя звука пока не существует. Для того чтобы усилить звук, нужно сначала превратить его в электрические колебания (с помощью микрофона, гидрофона, виброметра), а затем, после усиления этих колебаний в электронном усилителе, произвести обратное превращение уже усиленных электрических сигналов в звук посредством соответствующих электроакустических преобразователей.

Позвольте, а резонатор? -- спросит читатель. В полости резонатора звуковое давление усиливается вследствие того, что резонатор "отсасывает" звук с довольно большой площади фронта волны и трансформирует в параметры колебательного процесса. Но в резонаторе нет какого-либо постоянного постороннего источника звука, усиливающего колебательный процесс подобно тому, как это происходит в электронном усилителе благодаря наличию постоянного электрического источника питания.

Принцип действия фонон-электронного усилителя ультразвуковых колебаний заключается в следующем. В образце пьезоэлектрического полупроводника (например, в кристалле сернистого кадмия) возбуждается звуковая волна высокой частоты. Одновременно кристалл облучается светом, вследствие чего в нем возникают свободные электроны. Эти дрейфующие электроны увлекаются приложенным к кристаллу постоянным электрическим полем. Так как скорость электронов больше скорости звука, то электроны как бы тянут за собой звуковые частицы -- фононы. Это создает дополнительные механические усилия, и, следовательно, звуковая волна по мере распространения по кристаллу будет усиливаться. Уже созданы квантовые усилители ультразвука, в которых на расстоянии 10--15 миллиметров удается получить усиление бегущего ультразвукового импульса в тысячи раз. При непрерывном излучении звука концентрация энергии в относительно малом объеме полупроводника становится настолько велика, что возникает проблема его охлаждения во избежание падения коэффициента усиления.