Пьезоэлектри́ческий эффе́кт (от греч. πιέζω (piézō) — давлю, сжимаю) — эффект возникновения поляризации диэлектрика под действием механических напряжений (прямой пьезоэлектрический эффект). Существует и обратный пьезоэлектрический эффект — возникновение механических деформаций под действием электрического поля.

Первыми устройствами, использующими эффект пьезоэлектричества были сейсмографы для улавливания колебаний земной коры, шумопеленгаторы и гидролокаторы для определения надводных и подводных целей, кварцевые генераторы для стабилизации радиочастот.

Сейчас без устройств, использующих пьезоэлектрический эффект сложно представить современную технику - микрофоны смартфонов, электронные резонаторы для микроэлектроники (использует вся электронная техника), пьезозажигалки, измерители пульса, давления, ультразвуковые устройства в медицине и многие другие.

27 июля 1937 года в москве на базе Треста-13 Народного Комиссариата Радиопромышленности была организована ЦНИЛ (Центральная научно-исследовательская лаборатория). Руководить ЦНИЛ назначили А.В.Шубникова (одного из преподавателей Лаборатории Кристаллографии Академии Наук). Задачей ЦНИЛ было изучение кристаллического сырья, разработкой методов его использования и обработки. 

Во время Великой Отечественной войны на базе ЦНИЛ были организованы военные заводы 633 (Москва - дублер завода в эвакуации организовали в г.Ташкент) а и 616 (Омск). Они выпускали оборудование для гидроакустики, микрофоны, звукосниматели, громкоговорители.

В августе 1941 года ЦНИЛ получила срочный заказ на создание прибора для обнаружения авиабомб замедленного действия, использующих часовой механизм для отложенного подрыва.

В частности, немецкая фугасная авиабомба SC-1000 могла в том числе оснащаться взрывателем с часовым механизмом, позволяющим бомбе взрываться более чем через 2 часа после проникновение в здание или грунт. Такие бомбы были очень опасны в городской застройке, так как радиус повреждения такими бомбами составлял более 120 метров. Люди, после отбоя воздушной тревоги возвращались в свое жилье и затем происходил подрыв более чем 600 килограммов взрывчатого вещества, окруженного 10 миллиметрами стали.

Пьезоэлектронный стетоскоп системы Шеина (ПСШ-1) был создан буквально за считанные дни коллективом ученых под руководством А.С. Шеина. Прибор позволял обнаруживать часовой механизм авиабомбы на глубине более 10 метров.

С использованием данного прибора были обнаружены и обезврежены авиабомбы на улице Горького (Тверская), в районе Зарядье и других местах.

Приборы ПСШ-1 производились заводом 633 в 1942-1943 годах.

Развитием направления стал прибор для детекции мин замедленного действия ПСШ-633, использовавшийся для разведки заложенных взрывных устройств в стенах и кирпичной кладке, оснащаемых взрывателем замедленного действия J-Feder-504 и подобными. 

При разведке мин замедленного действия в грунтах (на шоссейных и железных дорогах, в подвалах зданий) прибор необходимо было использовать в сочетании с глубинным щупом или буром сапёра.

Чувствительность прибора характеризуется следующими данными: прибор обнаруживает часовой замыкатель типа «J-Feder-504», замурованный в нише в кирпичной кладке толщиной в два кирпича. При этом замыкатель может лежать на подставке из одного кирпича и слоя губчатой резины или войлока толщиной в 5-7 мм.

Ход замыкателя прослушивается в радиусе 1-1,5 м от места его установки.

 Части прибора ПСШ-633:

1 - пьезоэлектрический щуп; 2 - бронированный кабель; 3 - усилитель низкой частоты; 4 - металлический экран; 5 - электромагнитные телефоны; 6 - элемент 3С; 7 - батарея БАС; 8 - запасный элемент 3С; 9 - выключатель

Пьезоэлектрический щуп 1 представляет собой круглую карболитовую коробку, внутри которой замонтирована пьезопластинка. Выводы от металлических обкладок, прилегающих к пластинке, при помощи гибкого бронированного кабеля 2, подключаются к входным клеммам усилителя.

Усилитель низкой частоты 3 смонтирован на круглой панели. Он имеет три каскада усиления, собранные на двух лампах СО-243 и 2К2М.

Назначение экрана - предохранить лампы и монтаж усилителя от механических повреждений, а также электрических помех.

Пьезоэлектрический телефон монтируется в шлеме и снабжается мягким оголовьем. Отдельные приборы, как это и показано на рисунке, бывают укомплектованы электромагнитными телефонами 5.

В качестве источников питания применяются элемент 3С 6 и батарея БАС-60 7. Второй элемент 3С 8 является запасным.

Включение и выключение источников питания производится при помощи выключателя 9.

Принцип работы прибора основан на следующем: механические колебания, возникающие в обследуемой части здания вследствие хода часового механизма замыкателя, воздействуют на пьезопластинку щупа, вызывая её деформацию, величина которой изменяется в такт с ходом часового механизма. Пьезопластинка обладает тем свойством, что при деформации на гранях её выделяются электрические заряды, вследствие чего между выводами металлических обкладок, расположенных на этих гранях, образуется напряжение, которое подаётся на вход усилителя, усиливается последним и прослушивается в телефонах, как ход часового механизма.

Принципиальная электрическая схема прибора ПСШ-633 показана на рис. 3.

Напряжение с пьезощупа подаётся на вход (сетка-катод) первого каскада усилителя. Первые два каскада усилителя собраны на двойном триоде СО-243 и являются обычными трансформаторными усилителями низкой частоты.

Современным развитием технологий пьезоэлектрического стетоскопа является использование различных акустических течеискателей и приборов акустической детекции событий.

Акустические течеискатели производят детекцию звуковых волн, которые генерируются в местах порывов трубопроводов, коллекторов.

Еще один пример пример применения пьезоэффекта - детекцию акустических событий приближения поездов проводится прибором “Сигнализатор-П”. Акустические события звука колес приближающегося поезда лучше распространяются в металле рельс, чем в воздухе, особенно в акустически осложненной обстановке станций.

Технологии искусственного интеллекта делают решения акустической детекции событий еще более умными и доступными для использования в промышленности, медицине, транспорте, образовании.

Источники: 

1. Мостяев В.А., Поздняков П.Г. Российская пьезо-акустоэлектроника, “Радиотехника”, 2008

2. Пьезоэффект, Википедия

3. Авиационные боеприпасы

4. ПСШ-633

5. Шеин А.С.

6. ГС Завод Пьезоаппаратуры 633

7. Акустические течеискатели

8. “Сигнализатор-П”