22152

АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В ТВЕРДОМ АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ ТЕЛЕ1 1.

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ 1 1. АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В ИЗОТРОПНОМ ТВЕРДОМ ТЕЛЕ. АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В АНИЗОТРОПНОМ УПРУГОМ ТВЕРДОМ ТЕЛЕ 14 2.

Русский

2014-09-19

487.18 KB

51 чел.

  1.  АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ

1. АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ 1

1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 1

1.2. АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В ИЗОТРОПНОМ ТВЕРДОМ ТЕЛЕ. 5

1.3. АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В АНИЗОТРОПНОМ УПРУГОМ ТВЕРДОМ ТЕЛЕ 14

2. ВОЗБУЖДЕНИЕ И ПРИЕМ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН 23

2.1. ВОЗБУЖДЕНИЕ (ПРИЕМ) ОБЪЕМНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН 23

2.2. МЕТОДЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ (ПРИЕМА) ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН 28

3. АКУСТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ 32

4. ПОЛНОЕ ЗВУКОВОЕ ПОЛЕ В ПОМЕЩЕНИИ ПРИ ДИФФУЗНОМ ПОЛЕ ОТРАЖЁННОГО ЗВУКА. 34

5. АКУСТИЧЕСКИЕ ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОЛНЫ В ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ. 35

1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Для описания процессов распространения акустических волн в диапазоне частот, используемых в современных акустоэлектронных устройствах, можно ограничиться феноменологическим приближением, при котором пренебрегают дискретностью атомной структуры и рассматривают твердое тело как непрерывную сплошную среду, поскольку длины акустических волн даже на частотах порядка 10 ГГц, по крайней мере, в 100 раз превышают межатомные расстояния.

При обычно используемых интенсивностях акустических волн применимо линейное феноменологическое приближение, в соответствии с которым вектор смещения представляет собой линейную функцию радиус-вектора рассматриваемой точки в недеформированном состоянии r. Коэффициенты этой линейной функции для всех точек элементарного объема равны значениям компонент тензора деформации uik относящимся к одной точке элементарного объема. Компоненты тензора uik имеют вполне определенный геометрический смысл: диагональные компоненты (i=k) представляют собой величины относительных удлинений линейных элементов, параллельных по деформации осям Oxi, а недиагональные компоненты (ik) — меру изменения углов между пересекающимися прямыми до деформации, параллельными осям Охi и Oxk.

При анализе сил и динамики процессов в деформируемом твердом теле в феноменологическом приближении, естественно, следует пренебрегать радиусом действия атомных и молекулярных сил, т. е. считать, что силы, действующие на любой элемент объемa со стороны соседних с ним частей, действуют только через поверхность, ограничивающую рассматриваемый элемент объема. Помимо этих внутренних сил, ко всем точкам могут быть также приложены объемные силы, например сила тяжести. Однако, как показывают оценки, действием объемных сил при распространении акустических волн можно пренебречь. Поверхностные силы характеризуются вектором напряжений—направлением и значением нагрузки, действующей на единицу площади выделенного сечения. Вектор напряжения зависит от ориентации выбранного сечения из связи с этим не может использоваться в качестве величины, однозначно характеризующей поверхностные силы, действующие в точке. Для полного описания поверхностных сил вводят понятие тензора напряжения —совокупности трех векторов напряжения в выбранной точке, действующих по трем ортогональным плоскостям, в качестве которых удобно принять координатные плоскости прямоугольной системы координат. Общепринятые положительные направления векторов напряжения, действующих по граням элементарного параллелепипеда, показаны на рис. 1.1. Процессы изменения напряжений и смещений в сплошной среде подчиняются второму закону Ньютона:

                                     (1.1)

Рис. 1.1. Положительные направления компонент тензора напряжений

Одних уравнении движения (1.1) недостаточно для однозначного описания процессов в сплошной среде. Недостающие соотношения, называемые материальными уравнениями находят из принципов термодинамики. Учитывая, что при распространении акустических волн малой интенсивности, обычно используемых в акустоэлектронных устройствах, происходят лишь малые отклонения от исходного равновесного состояния, для получения материальных уравнений ограничиваются линейным приближением.

В линейном приближении материальные уравнения для пъезодиэлектриков могут быть записаны в следующих двух эквивалентных формах в зависимости от выбранных независимых переменных

где компоненты тензора диэлектрической проницаемости компоненты тензора пьезоэлектрических постоянных, cikts-компоненты тензора модулей упругости; hirm—компоненты тензора пьезоэлектрической константы деформации.

Для отдельных материалов некоторые коэффициенты уравнений могут быть либо тождественно равными нулю либо пренебрежимо малыми. Простейшее материальное уравнение называется законом Гука:

                               (1-4)

Подставляя в (1.1), получим уравнения движения в упругой среде. В акустоэлектронных устройствах, как правило, используются плоские гармонические волны, смещения в которых имеют вид

       (1.5)

где ai—компоненты вектора поляризации; q=2—волновой вектор; l-единичный вектор; и -длина и угловая частота

волны; jмнимая единица.

Для плоской волны уравнения движения в упругой среде принимают вид

       (1-6)

или в другой форме

        (1.7)

где —скорость акустической волны; — символ Кронекера;

                                                         (1.8)

—первый тензор Кристоффеля. Уравнения (1.7) носят название уравнений Кристоффеля. Они показывают, что задача о распространении плоской гармонической волны в упругом твердом теле сводится к нахождению собственных значений и собственных векторов первого тензора Кристоффеля.

При анализе процесса распространения плоской волны в пьезодиэлектрике необходимо совместно решать уравнения движения (1.1), материальные уравнения (1.2) или (1.3) и уравнения Максвелла. Однако детальный анализ показывает, что уравнения Максвелла при этом могут быть заменены уравнениями электростатики (возникающая ошибка по порядку величины равна квадрату отношения скорости акустической волны к скорости света). С учетом этого обстоятельства уравнения, описывающие распространение плоской волны в пьезодиэлектрике, имеют вид

      (1.9)

где

при i,r,s,m=1,2,3;

       (1.10)

Cравнение систем уравнений (1.6) и (1.9) показывает, что задача о распространении плоской акустической волны в пьезодиэлектриках сложнее аналогичной задачи для упругого твердого тела, с математической точки зрения обе задачи однотипны и сводятся к решению систем однородных линейных уравнений.

Рассмотрим также важный для конструирования акустоэлектронных устройств вопрос о векторе потока энергии плоской акустической волны. Выражение для усредненной по времени величины вектора потока энергии плоской волны, справедливое для упругого тела и с достаточным приближением для известных пьезоэлектриков, имеет вид

       (1.11)

Эту величину часто называют также интенсивностью акустической волны. Отношение р к среднему значению плотности энергии волны называется вектором лучевой скорости s-Для плоской волны (1.5) имеем

     (1.12)

где тензор

         (1.13)

носит название второго тензора Кристоффеля: Направления век торов р и q в упругой среде совпадают только в том случае, когда q является собственным вектором второго тензора Кристоффеля. За исключением этого случая оба вектора имеют различные направления. Угол между ними, называемый углом отклонения потока энергии, определяется выражением

      (1.14)

Явление отклонения потока энергии акустической волны от направления ее распространения необходимо учитывать при конструировании акустоэлектронных устройств, так как углы реально могут составлять десять градусов, и более.

1.2. АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В ИЗОТРОПНОМ ТВЕРДОМ ТЕЛЕ.

Рассмотрение процессов распространения акустических волн в изотропном теле с точки зрения расчета параметров акустоэлектронных устройств имеет, в основном, методическое значение, так как коэффициент поглощения в реальных материалах с изотропными свойствами значительно выше, чем в лучших имеющихся монокристаллах (см. приложение Л, которое составлено по данны оригинальных и обзорных работ, опубликованных преимущественно в посленес время). Однако такое рассмотрение принципиально важно для полного решении задачи о распространении акустической волны.

В однородном изотропном твердом теле первый тензор Кристоффеля принимает особенно простой (диагональный) вид при совпадении направления распространения волны с одной из осей системы координат. Для определения предположим, что такой осью является ось Оху. В этом случае

      (1.15)

где и — коэффициенты Ламэ. Уравнения Кристоффеля (1.7), решения и которых исчерпывают все виды акустических волн, распространяющихся в объёме тела (такие волны называются объемными), распадаются на три независимых уравнения:

       (1.16)

Первые два (совпадающие) уравнения (1.16) описывают распространение объёмных акустических волн в которых смещения частиц перпендикулярны направлению распространения волны. Такие волны (рис. 1.2, а) называют поперечными (иногда сдвиговыми). Третье уравнение (1.16) описывает волну, в которой размещения частиц параллельны направлению   распространения. Такие волны (рис.

Рис. 1.2. Основные типы акустических волн в изотропном твердом теле

i — поперечная объемная волна; б — продольная Объемная волна; в — поверхностная волна Релея; г — волна Лява

1.2,6) называют продольными (реже волнами сжатия). Оба указанных типa воли существуют и при произвольном направлении распространения, не совпадающем ни с одной из осей выбранной системы координат. Скорости распространения поперечной и продольной vi волн, как следует из (1.16), выражался следующими соотношениями:

        (1.17)

С учетом реальных свойств известных изотропных материалов считаем .Вычисляя компоненты векторов лучевой скорости и потока энергии для поперечной и продольной волн в изотропной среде с помощью соотношений (1.11) и (1.12), найдем

        (1.18)

где — акустический импеданс среды, который, как известно определяет отношение амплитуд давления к колебательной скорости . Соотношения (1.18) показывают, что в изотропном теле направление вектора лучевой скорости (потока энергии) поперечной и продольной воли совпадает с направлением их распространения.

До сих пор описывалось распространение объемных акустических волн t в бесконечном, однородном изотропном твердом теле. В реальных акустоэлектронных устройствах фронт волны ограничен в поперечных направлениях и ограничены линейные размеры звукопровода.

Проанализируем следствия этих ограничений. Обычно удается реализовать условия (при которых ограничением линейны) размеров звукопровода можно пренебречь. Ниже мы уточним, когда такое представление справедливо. В связи с этим целесообразно рассмотреть задачу в акустическом поле, создаваемом излучателем ограниченных размеров в полу бесконечном изотропном полупространстве. Будем считать, что поперечные размеры излучателя намного превышают длину акустической волны, что согласуется с практикой, а сам излучатель имеет вид жесткого поршня, все точки которого колеблются синфазно. Несмотря на сильно упрощенный характер такой модели излучателя, она позволяет получить достаточно хорошее согласие с экспериментальными данными, причем влияние формы излучателя оказывается очень существенным. Как показывает анализ, задача о поле излучения круглого жесткого поршня, даже в такой упрощенной постановке, не решается аналитически и может быть решена лишь численным методом. Из результатов расчетов следует, что вблизи излучателя существует зона Френеля, в которой волна имеет практически плоский фронт, а давление на оси проходит ряд пулев!. точек по мере удаления от излучателя (рис. 1.3). Вдали от излучателя давление на оси уменьшается обратно прапорционально расстоянию от излучателя и пучок акустической волны начинает расходиться, причем синус угла расхождения Ф удовлетворяет условию sinФ=0,31Dи, где Dи - диаметр излучателя. Эта зона называется зоной Фраунгофера. Граница между зонами Френеля и  Фраунгофера, иногда называемыми также ближней и дальней зонами, не резкая. Условно считают, что она расположена на расстоянии 0,75D2и/.

До сих пор рассматривалось лишь акустическое поле на оси излучателя, называемое главным лепестком диаграммы направленности излучателя. При больших углах между направлением распространения и осью излучателя имеются направления, вдоль которых также возможно излучение акустической волны (боковые лепестки диаграммы направленности излучателя). Строго говорить о формировании лепестков диаграммы направленности излучателя можно только в зоне Фраунгофера.

Рис. 1.4. Зависимость дифракционных потерь объёмных волн от нормализованного расстояния между преобразователями.

L-расстояние между преобразователями; -длина акустической волны; Dи-диаметр излучателя; -параметр анизотропии материала звукопровода.

На рис. 1.4 приведен график, характеризующий потери акустической мощности при распространении акустической волны в изотропной среде без поглощения из-за дифракционного расширения фронта волны Го в зависимости от нормализованного расстояния между идентичными излучателем и приемником, представляющими собой жесткие круглые поршни. Этим графиком часто пользуются при расчете параметров акустоэлектронных устройств, использующих объемные волны.

Описанная картина акустического поля излучателя с конечной апертурой, расположенного на границе полубесконечной среды, позволяет физически обоснованно рассматривать вопрос о влиянии ограниченности поперечных размеров звукопровода на процесс распространения волны. Очевидно, что до тех пор пока основная часть мощности расходящейся акустической волны (обычно в пределах главного лепестка диаграммы направленности), проходя весь рабочий участок траектории, не попадет на боковые грани звукопровода, можно считать звукопровод бесконечным в поперечном направлении. В противном случае необходимо учитывать наличие отражений от боковых границ, приводящих к появлению в устройстве ложных сигналов. Как правило, последние исключают соответствующими приемами, например выбором поперечных размеров, выполнением рифлений или нанесением поглотителей на боковые грани звукопровода. В связи с этим на практике при расчетах обычно можно не учитывать ограниченность поперечных размеров звукопроводов.

Ограниченность продольных размеров звукопровода приводит к появлению волн, отраженных от границ. Рассмотрим два типа границ — границу с жесткой связью, на которой одноименные компоненты вектора смещений и тензора напряжений равны между собой:

                                                               (1.19)

и свободную границу, на которой равны нулю нормальные компоненты тензора напряжений:

                                                              (1.20)

Граница первого типа реализуется при наличии “склейки” (акустической “связки”) между контактирующими телами, а второго — на границе твердого тела с вакуумом (практически с газом при обычных условиях). Другие типы граничных условий сравнительно редко встречаются при анализе акустоэлектронных устройств. Решение задачи об отражении акустических волн от границ детально описано в литературе, мы же кратко приведем результаты для частного случая, который понадобится при расчете преобразователей, а именно для отражения плоской акустической волны, падающей нормально к границе. В связи с тем, что при нормальном падении трансформация типец волн отсутствует и задача является одномерной, в целях упрощения записи будем опускать индексные обозначения оси, а также компонент векторов и тензоров. Кроме этого, условимся о следующем правиле знаков (выборе положи тельных направлений сил давления и колебательных скоростей), которыми и будем везде пользоваться в данной книге: обе величины будем считать положи тельными, если они направлены противоположно направлению внешней нормали к рассматриваемой границе (рис. 1.5).

Рис.1.5. К расчёту коэффициентов отражения и пропускания плоской границе (а) и плоско-паралельного слоя (б) при нормальном падения акустической волны.

Плоскопараллельный слой выдает трансформацию акустического импеданса, в связи с чем его можно использовать в качестве элемента для акустического согласования. Изложенная методика позволяет рассчитать импеданс нескольких граничащих друг с другом плоских слоев последовательным применением, начиная с самой дальней границы по ходу распространения волны. Такая методика расчета проще, чем перемножение матриц, описывающих свойства промежуточных слоев.

Наряду с объемными волнами, которые могут распространяться в однородном твердом теле, существует особый вид акустических волн, называемых поверхностными, которые распространяются вдоль границы тела, оставаясь локализоваными вблизи этой границы. Поверхностные акустические волны (ПАВ) широко используются в акустоэлектронных устройствах. В настоящее время наиболее изучены три типа ПАВ, которые могут распространяться вблизи плоской поверхности изотропного тела — волны Релея, Лява и Стоунли.

Релеевская волна, как следует из выражения (1.27), обладает “прямолинейным” фронтом, поскольку в любой плоскости, параллельной поверхности, линии постоянной фазы являются прямыми. Используя понятие сагиттальной плоскости — плоскости, перпендикулярной свободной поверхности, вдоль которой распространяется волна, и параллельной ее волновому вектору q (см. рис.1.6) можно сказать, что волна имеет “прямолинейный” фронт, если смещения любой глубине не зависят от расстояния до сагиттальной плоскости. Решение задачи о распространении релеевской волны подробно описано в моногрг, а в варианте изложения — в обзоре, в связи с этим нет необходимости его здесь рассматривать. Обратим лишь внимание, на то что конкретный вид решения зависит от выбора положительного направления оси Оху, а также от принятого при расчете вида экспоненциального множителя, характеризующего распространение волны. К сожалению, в настоящее время выбор направления оси, ни вид экспоненциального множителя не унифицированы, в связи с чем решения, приводимые в работах разных авторов, отличаются по форме. Расчет показывает, что в релеевской волне смещение на любой глубине происходит по эллипсу, плоскость которого лежит в сагитттальной плоскости, а большая ось перпендикулярна свободной поверхности Релеевская волна локализуется вблизи поверхности в слое, толщина которого сравнима с длиной волны.

Рис. 1.6. Система координат в полупространстве, по поверхности которого распространяется ПАВ.

1-плоская свободная поверхность полупространства; 2-сагиттальная плоскость.

Для релеевской волны так же, как и для объемной, можно ввести нон акустического импсданса, величина которого определяется только физически свойствами полупространства. Однако ввиду того, что структура релеевской волны изменяется с глубиной, аналитическое выражение для акустического импеданса релеевской волны очень громоздко.

Аналогично объемной волне поверхностная волна с фронтом ограниченная до поперечных размеров испытывает дифракционное расширение.

Вторым основным типом ПАВ является волна Лява, которая может распространяться по границе полубесконечного твердого тела с расположенным на ней слоем толщиной d (рис. 1.2,г), если скорость распространения поперечной волны в слое меньше, чем в полупространстве (обычно такой слой называют Умедляющим). Подробно задача о распространении волны Лява рассмотрена. Дифракционные эффекты для волн Лява обычно не анализируют, так как этот тип волн в основном используется в акустических волноводах, в которых расхождение волны в поперечном направлении исключено. При нормальном падении на плоскую свободную границу волна Лява, как и волна Релея, испытывает отражение с rF=1.

Третьим типом ПАВ являются волны Стоунли — волны на плоской границе между двумя жестко скрепленными изотропными телами. В отличие от волн Релея и Лява, в которых энергия волны сосредоточена вблизи свободной поверхности тела и вследствие этого оказывается доступной для отбора, преобразования, усиления и других воздействий, в волне Стоунли энергия распространяется вдоль внутренней границы, исключающей возможность непосредственного доступа. По этому свойству волна Стоунли ничем не отличается от рассмотренных раньше объемных волн. В то же время трудности практической реализации границы с однородными свойствами на большой площади и малым рассеянием акустической волны сводят на нет возможные преимущества, связанные с использованием волн Стоунли, вследствие чего они не находят практического применения в современных акустоэлектронных устройствах и не будут рассматриваться в дальнейшем.

1.3. АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В АНИЗОТРОПНОМ УПРУГОМ ТВЕРДОМ ТЕЛЕ

В анизотропном упругом твердом теле компоненты первого тензора Кристоффеля зависят от направления распространения волны. В соответствии с уравнениями квадрат фазовой скорости волны и вектор поляризации, являющиеся собственным знанием и собственным вектором первого тензора Кристоффеля, также зависят от направления распространения волны. В этом состоит одна из основных особенностей процесса распространения акустической волны в анизотропном твердом теле, которая значительно расширяет разнообразие свойств акустических волн в кристаллах по сравнению с изотропной средой.

Уравнения Кристоффеля для произвольного направления в кристалле содержат большое число слагаемых. Ввиду громоздких уравнений Кристоффеля основным методом их решения в на стоящее время является численный (реализуемый с помощью ЭВМ). В общем виде процесс решения заключается в следующем.

Задавшись направлением распространения волны 1, определяем с помощью соотношения компоненты первого тензора Кристоффеля для рассматриваемого кристалла и направления. (Если направление распространения волны не совпадает с направлением осей системы координат установки кристалла, в которой заданы значения компонент тензора модулей упругости, то их предварительно необходимо пересчитать к соответствующей повернутой системе координат.) Затем находят собственные значения и собственные векторы первого тензора Кристоффеля, значения квадратов фазовых скоростей и векторов поляризации волны для заданного направления.

В общем случае тензор Кристоффеля обладает тремя различными собственными значениями, каждому из которых соответствует свой собственный вектор. Все три собственных вектора всегда взаимно перпендикулярны. При этом они могут не совпадать с направлением распространения волны. Однако в любом случае угол между вектором поляризации и волновой нормалью для данной из волн будет меньше, чем для двух остальных. Такая волна называется квазипродольной, а две другие—квазипоперечными. Взаимная перпендикулярность собственных векторов следует вещественности, симметричности и положительной определенно первого тензора Кристоффеля. При анализе свойств акустических волн следует иметь в виду, что для отдельных направлений тензор Кристоффеля может оказаться одноосным (два его собственных значения совпадут). В этом вырожденном случае две из трех волн будут иметь одинаковые фазовые скорости, а их векторы смещения могут иметь произвольное направление в плоскости, перпендикулярной вектору смещения третьей волны. Вдоль таких направлений, называемых акустическими осями, наряду с линейно поляризованными акустическими волнами могут распространяться и волны эллиптической поляризации. Как показывает анализ, в этом случае при определенных условиях имеет место явление внутренней конической рефракции акустической волны заключающееся в том, что одной и той же волновой нормали соответствует целый конус направлений вектора потока энергии, каждое из которых отвечает определенному вектору смещения квазипоперечной волны. В направлениях, не совпадающих с акустическими осями, волны, в общем случае, не являются ни чисто продольными, ни чисто поперечными.

В кристаллах существуют направления, свои для каждого типа симметрии кристалла, вдоль которых нормаль к фронту волны совпадает с вектором смещения для одной из трех волн, оказывающейся в таком случае чисто продольной. Такое направление называется продольной нормалью. В силу ортогональности векторов смещения две другие волны окажутся в этом случае чисто поперечными. В зависимости от симметрии рассматриваемого правления эти поперечные волны могут иметь различные или одинаковые скорости распространения.

Для некоторых направлений в кристаллах может оказаться, что только одна из трех волн является чисто поперечной. Такое направление называется поперечной нормалью. При распространении волны в этом направлении угол между вектором поляризации квазипродолыюй волны и волновой нормалью будет paвен углу между вектором поляризации квазипоперечной волны и плоскостью волнового фронта. Возможность существования квазипродольных и квазипоперечных объемных волн является еще одной особенностью распространения акустической волны в анизотропном звукопроводе.

Наконец, третьей важной, с точки зрения практического использования акустических волн, особенностью, связанной с анизотропией свойств звукопровода, является отклонение потока энергии волны от направления ее распространения. Как уже отмечалось, этот эффект — весьма существенный, так как угол между векторами р и q (ср. 1.14) может достигать нескольких десятков градусов. Только в исключительных случаях отклонение потока энергии отсутствует. В частности, так случается при распространении волны вдоль продольной нормали. Волну, у которой направление лучевой скорости совпадает с волновой нормалью, иногда называют обыкновенной.

На практике часто нет необходимости находить вектор потока энергии, а достаточно знать только его направление. Для определения направления вектора потока энергии можно воспользоваться зависимостями фазовых скоростей от направления распространения волны, известными из решения уравнений Кристоффеля. В [12] доказано, что направление потока энергии при заданном направлении распространения волны совпадает с направлением нормали к поверхности обратных значений фазовых скоростей (поверхности “медленности”) в точке, соответствующей этому направлению. Поверхность медленности образуется концами радиус-векторов, длины которых в каждом направлении равны обратному значению фазовой скорости волны, распространяющейся в данном направлении. Для объемных волн задача отыскания направления —потока энергии путем определения направления нормали к поверхности медленности является пространственной. Направления, вдоль которых распространяются обыкновенные волны (их часто называют направлениями чистых мод), можно найти непосредственно из угловых зависимостей фазовых скоростей, поскольку экстремумы угловых зависимостей фазовых скоростей и обратных им величин, очевидно, совпадают. Многочисленные примеры сечений поверхностей медленности приведены, в частности в книгах.

Переходя к анализу дифракционных эффектов в анизотропном ( упругом полубесконсчном звукопроводе, отметим, что в общем виде задача о поле излучения, создаваемого плоским жестким поршнем ограниченных размеров, причем картина дифракции нуждается в индивидуальных расчетах для каждого выбранного направления конкретного кристалла. Для большинства практически важных случаев достаточно воспользоваться более универсальными результатами, которые относятся к направлениям, вблизи которых фазовая скорость и описывается параболической зависимостью

                 (1.29)

где фазовая скорость вдоль исходного направления; у—параметр анизотропии; —угол отклонения исследуемого направления от исходного.

Такое приближение хорошо выполняется для осей высокой симметрии во всех типах кристаллов. В параболическом приближении картина дифракции в анизотропном теле оказывается подобной картине дифракции в изотропном теле. При этом в зависимости от величины параметра анизотропии расстояние до границы зоны Френеля либо уменьшается (при у>0), либо увеличивается (при —1<у<0), т. е. весь процесс дифракции либо “убыстряется” (при у>0), либо “замедляется” (при у<0) по сравнению с изотропным случаем (см. рис. 1.3,а и 1.4).

Анизотропия сказывается на свойствах не только объемных, но также и поверхностных акустических волн, фазовые скорости, векторы поляризации и сама структура которых зависят от выбранного направления распространения. В частности для всех, за исключением изолированных, направлений имеет место отклонение потока энергии от направления распространения волны. В настоящее время принято считать, что не существует запрещенных направлений распространения ПАВ ни для каких плоскостей кристаллов. На свободной поверхности кристалла, наряду с релеевской волной со структурой, характерной для изотропного тела, могут существовать также обобщенные поверхностные волны и псевдоповерхностные волны. (Иногда в литературе под обобщенной поверхностной волной понимают поверхностную волну, для которой единственное отличие от рэлеевской заключается в “осциллирующем” характере зависимости амплитуды смещений от глубины, однако, на наш взгляд, использование специального названия для такого редко встречающегося изолированного типа волны, неоправданно.)

Обобщенная поверхностная волна, в отличие от, релеевской, может иметь три компоненты смещений, а затухание смещения с глубиной может происходить по более сложному экспоненциально-тригонометрическому закону.

Псевдоповерхностная волна, представляющая собой, по существу, квазипоперечную объемную волну, имеет три компоненты смещения с преобладанием поперечной компоненты, лежащей в плоскости свободной поверхности. Ее волновой вектор лежит в сагиттальной плоскости, но наклонен под небольшим углом к поверхности. В связи с этим псевдоповерхностную волну называют также скользящей или “мелкой” объемной волной. Строго говоря, псевдоповерхностная волна не является поверхностной в смысле- удовлетворения условию (1.28), она существует только в определенной области вблизи источника, превращаясь затем в объемные волны, по мере того, как поверхностная компонента теряет энергию за счет излучения объемной волны. Псевдоповерхностная волна существует вблизи изолированного направления распространения обобщенной поверхностной волны, фазовая скорость распространения в котором превышает фазовую скорость наиболее медленной поперечной объемной волны, вследствие чего поверхностная волна начинает излучать энергию в объем. Псевдоповерхностные волны имеют сравнительно небольшой коэффициент поглощения. Они в меньшей степени, нежели ПАВ, чувствительны к процессам старения поверхности, а также к качеству ее обработки Найдены направления распространения псевдоповерхностных волн, для которых температурный коэффициент скорости и угол отклонения потока энергии малы, а коэффициент электромеханической связи и скорость— велики. Все это, а также сравнительно высокая степень мономодности, способствуют все более широкому применению псевдоповерхностных волн в акустоэлектронных устройствах.

Анализ отклонения потока энергии ПАВ в тех случаях, когда достаточно только сведений об угле между вектором потока энергии и волновым вектором, существенно проще, чем анализ отклонения потока энергии объемной волны. Это связано с тем, что поверхности медленности для ПАВ цилиндрические, вследствие чего задача об отыскании нормалей к этим поверхностям становится двумерной, а не трехмерной, как в случае объемных волн.

Проще оказывается и анализ дифракционных эффектов. Для ПАВ численный метод позволяет найти акустическое поле синфазно колеблющегося линейного излучателя вдоль произвольного направления в подложке любой симметрии. Однако результаты расчетов относятся только к одному конкретному направлению распространения ПАВ в кристалле заданной симметрии. Более универсальные, полезные для практики результаты удается получить с помощью уже упоминавшегося параболического приближения, в котором справедлива аппроксимация угловой зависимости фазовой скорости выражением (1.29).

Перейдем теперь к рассмотрению процесса поглощения акустических волн. Общая теория распространения акустических волн в релаксирующих средах, основанная на подходе, развитом Мандельштамом и Леонтовичем, показывает, что в рассматриваемом феноменологическом приближении (-время релаксации фононного газа), выражение для коэффициента поглощения акустической волны, рассчитанного на единицу длины Г, имеет вид

                                                           (1.30)

где С — некоторый постоянный коэффициент, определяемый конкретным механизмом релаксации. Таким образом, величина Г при пропорциональна квадрату частоты акустической волны.

Основным механизмом релаксации при распространении акустической волны, для которой , как впервые указал Ахиезер, является изменение спектра фононов, обусловленное деформацией кристаллической решетки. Это подтверждается, в частности, хорошим согласием расчетных и измеренных значений Г для монокристаллов, у которых детально исследованы свойства фононного спектра. Однако простая и надежная общая методика расчета величины Г в настоящее время отсутствует. В связи с этим основным способом получения наиболее важной для практики информации о минимально достижимых значениях Г остаются измерения.

Для оценок величины Т удобно пользоваться следующим приближенным выражением, соответствующим ахиезеровскому механизму поглощения:

где <у>—усредненный параметр Грюнайзена, определяемый из измерений теплопроводности; —коэффициент теплопроводности;

— средняя скорость звука в дебаевском приближении, — характеристическая температура Дебая, V0- средний объем, приходящийся на один атом элементарной ячейки кристаллической решетки.            

Полезными являются также различные попытки систематизации данных для кристаллов определенных классов, в частности система данных по поглощению акустических волн в кубических кристаллах, развитая в работе. В рамках этой системы величина Г/f2, определяемая экспериментально, сопоставляется со значениями параметра

      (1.32)

     где —коэффициент теплопроводности при температуре Дебая; , М - средняя масса, приходящаяся на один атом вещества. Как видно из рис. 1.8, результаты измерения Г для большого числа кубических 'кристаллов расположены в области между прямыми, соответствующими <у>==0,6 и <у>=1,2. Методика экспериментального определения Г достаточно подробно описана в работе.

Выше были представлены величины поглощения акустических волн для чистых материалов. Следует подчеркнуть, что они могут быть заметно уменьшены путем введения в монокристалл соответствующим образом подобранных примесей. Особенно эффективного уменьшения затухания достигли при легировании алюмоиттриевого граната примесями парамагнитных ионов. В этом случае величина Г при 10 ГГц снижалась с 30 до 15 дБ/мкс, что меньше величины Г (21 дБ/мкс) в AL2O3-материале, который наиболее часто применяется для изготовления акустических линий задержки (АЛЗ) гигагерцевого диапазона частот Выяснение предельных возможностей снижения коэффициента затухания за счет легирования кристаллов имеет большое практическое значение для создания новых материалов для акустоэлек-тронных устройств с улучшенными параметрами.

Как показывает анализ, коэффициент поглощения поперечной волны хорошо коррелирует с коэффициентом поглощения ПАВ. При этом необходимо отметить, что существующая технология обработки поверхности кристаллов позволяет практически полностью исключить влияние дефектов обработки поверхности на процесс поглощения ПАВ, по крайней мере до частот 3 ГГц.

Однако при оценке затухания ПАВ следует иметь в виду, что его величина более сложным образом зависит от частоты:

Здесь коэффициент А определяется только параметрами материала а коэффициент В — параметрами материала и окружающей

реды и может быть уменьшен при использовании легких газов или вакуумировании поверхности звукопровода.

Рис. 1.8. Сопоставление величины Г-/-2 с расчетным параметром R для ряда кубических монокристаллов

2. ВОЗБУЖДЕНИЕ И ПРИЕМ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН

2.1. ВОЗБУЖДЕНИЕ (ПРИЕМ) ОБЪЕМНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН

Принцип действия преобразователей, служащих для возбуждения и приема акустических волн, основан на использовании физических явлений (пьезоэффекта, магнитострикции, электрострикции др.), связанных с возникновением заметных механических деформаций при воздействии на тело электрических, магнитных полей или различного рода излучений.

Способы возбуждения (приема), основанные на использовании пьезоэлектрического эффекта. Наиболее эффективный и широко распространенный способ возбуждения (приема) объемных волн состоит в использовании пьезоэлектрических полуволновых слоев (пластин) с электродами, находящимися в акустическом контакте со звукопроводом. В основе этого метода лежит использования для излучения акустических волн обратного пьезоэффекта (деформации пластины под действием электрического поля, приложенного к электродам), а для приема прямого пьезоэффекта (возникновение электрического заряда на обкладках—электродах деформированной пьезоэлектрической пластины).

Устройство преобразователя схематически показано на рис. 2.1, Пьезоэлектрический слой 2 толщиной d с электродами и акустически связан со звукопроводом 4 тыльной нагрузкой 6 через промежуточный слои 5. При приложении к электродам вне него переменного электрического напряжения U в пьезоэлектрическом слое в зависимости от его кристаллографической ориентации возникают колебания сдвига или сжатия—растяжения по толщине. В результате этого в звукопроводе возбуждаются соответственно сдвиговые (поперечные) или продольные, объемные акустические волны. Эффективность взаимного преобразования электрической энергии в акустическую достигает максимума на частоте основного акустического резонанса fo=u/2d (и—скорость звука в пьезоэлектрическом слое и на нечетных высших гармониках

где n=l, 2...

Такие пластины изготовляются из материалов с хорошими пьезоэлектрическими свойствами. Критерием при выборе материала служит коэффициент электромеханической связи k, приведенный для различных пьезоэлектриков в приложении А. Окончательный выбор материала для преобразователя зависит от величины k и акустических параметров, а также от: стоимости, возможности получения заготовок необходимых размеров, простоты обработки и т. д. В настоящее время для изготовления преобразователей объемных волн наиболее часто используются кристаллы:

SiO2, LiNbO3, CdS, ZnO, пьезокерамики различных составов и Другие материалы.

В зависимости от электрофизических параметров используемых пьезоэлектриков, пьезопреобразователи можно условно подразделить на пьезодиэлектричесиие и пьезополупроводниковые.

Пьезодиэлектричсские пластинчатые преобразователи могут быть изготовлены из материалов с большим k, например из пьезокерамики или LiNbO3. При соблюдении необходимой кристаллографической ориентации пластин они имеют практически только одну моду колебаний. Обычно они применяются в двух модификациях. Для диапазона низких частот (менее 100 МГц) — в виде отдельных пластин или пластин, наклеенных на прочную основу—“пирамидку”, одновременно служащую “тыльной” акустической нагрузкой пьезоэлектрического полуволнового слоя. В этом случае преобразователь может быть использован в качестве съемного элемента. Для высоких частот (более 100 МГц) вследствие больших потерь в промежуточном “склеивающем” слое и хрупкости тонких пластин применение съемных преобразователей затруднено. Поэтому заготовка преобразователя специальным образом приклеивается непосредственно к звукопроводу и после этого доводится до необходимой толщины. В последние годы лабораторная технология изготовления таких преобразователей достаточно хорошо разработана и позволяет получать преобразователи с рабочими частотами до 10 ГГц при потерях преобразования около 10 дБ.

Ранее в ряде работ исследовались пьезополупроводниковые преобразователи с объединенным слоем, возникающим в области р-n-перехода или вблизи поверхности пьезополупроводника, а также преобразующие устройства, основанные на использовании диодов Ганна. Это типы преобразователей недостаточно эффективны, поэтому не нашли широкого применения и далее рассматриваться не будут.

В пьезоэлектрическом кристалле также возможно нерезонансное возбуждение объемных волн с его поверхности, если пьезоэлектрический звукопровод своим торцом помещается в пучность электрического поля коаксиального резонатора (рис. 2.3, а). Воздействие высокочастотного электрического поля поверхность звукопровода приводит вследствие обратного пьезоэффекта к возбуждению в нем объемных акустических волн, частота которых может быть изменена в пределах перестройки частоты резонатора. Методика расчета таких преобразователей рассмотрена в работе.

Возбуждение объемных акустических волн с поверхности пьезоэлектриков в широкой полосе частот может также осуществляться с помощью замедляющих систем, например спиральных: цилиндрических или плоских. Более эффективным является применение плоской замедляющей системы (рис. 2.3, б). Она позволяет создать однородное электромагнитное поле по всему торцу образца и более полно использовать поверхность спирали. Так, по сравнению с круглой спиралью с таким же периметром и шагом витка с помощью плоской спирали в ZLiNbO вносимые потери уменьшились более чем на 30 дБ.

Достоинство метода возбуждения акустических волн замедляющими системами заключается в его широкополосности и возможности работать в гигагерцевом диапазоне частот. Недостаток — наличие двух компонент воздействующего электрического поля, которое требует соответствующего выбора ориентации торца пьезоэлектрического кристалла для возбуждения одного типа объемных волн, и отсутствие монолитности системы преобразователь—звукопровод.

Способы возбуждения (приема), не связанные с использованием пьезоэлек

Рис. 2.3. Поверхностное возбуждение объёмных акустических волн в пьезоэлектриках. а — возбуждение в СВЧ резонаторе; б-  возбуждение с помощью замедляющей системы. 1 резонатор; 2 — пьезоэлектрический кристалл; 3-плоская замедляющая система.

триков. Наиболее известными из этой группы являются магнитострикционные преобразователи, в которых для возбуждения акустических волн используется явление магнитострикции — изменение объема и формы ферромагнетика изменении его намагниченности. Для приема акустических волн используется магнитоупругий эффект — изменение намагниченности при деформации ферромагнетика. В этом методе звукопропод с напыленной на его торец тонкой ферромагнитной, обычно никелевой пленкой, помещается в пучность магнитного поля СВЧ резонатора (рис. 2.4, а) так, чтобы плоскость торца образца была параллельна переменному магнитному полю. Одновременно к пленке прикладывается постоянное магнитное поле с регулируемой величиной, намагничивавшее пленку до насыщения. Переменное магнитное поле вызывает изменение ее намагниченности с частотой СВЧ колебаний, что вследствие эффекта магнитострикции приводит к генерации акустических волн. При. направлении постоянного магнитного поля перпендикулярно плоскости пленки эффективно возбуждаются поперечные акустические волны с поляризацией, параллельной направлению изменения СВЧ намагниченности в плоскости пленки. Продольные волны эффективно возбуждаются, если угол между направлением постоянного магнитного поля и нормалью к поверхности пленки составляет 45°. Метод дает возможность генерировать акустические волны до частот порядка 70 ГГц.

Рис. 2.4. Непьезоэлектрические способы возбуждения объёмных акустических волн.

1-резонатор; 2-никелевая плёнка; 3-звукопровод; 4-пластинка SiO2; 5-луч лазера; 6-светопоглащающий слой; 7-электроды; 8-диэлектрик.

Исследована также возможность возбуждения акустических волн в твердом теле в результате облучения его поверхности модулированным лазерным излучением (рис. 2.4, б). Метод бесконтактный, позволяет создать точечные источники акустических волн, однако для получения заметной интенсивности звукового потока требует использования лазеров большой мощности.

В некоторых случаях для возбуждения продольных волн целесообразно применение диэлектрического электромеханического преобразователя. Он выполняется в виде конденсатора (рис. 2.4, о), заполненного диэлектриком, на обкладки которого одновременно подаются постоянное и переменное электрические поля. Вследствие взаимного электростатического притяжения обкладок (одной из них служит металлизированный торец звукопровода) и эффекта электрострикции (деформации диэлектрика под действием электрического поля) происходит излучение в звукопровод акустической волны. Диэлектрический преобразователь с воздушным зазором dB между электрической пластиной и звукопроводом имеет меньшие потери преобразования, чем диэлектрический преобразователь с непосредственным акустическим контактом. При постоянном электрическом напряжении порядка 2,5 кВ на преобразователе (слюда, d=10 мкм, dB=0,5 мкм) потери преобразования составляли 20 дБ на частоте 30 МГц и 48 дБ в частотном диапазоне 0,4—1 ГГц. Достоинством такого метода возбуждения является слабая зависимость потерь преобразования от частоты и возможность работы в области СВЧ без применения акустических связок. К его недостаткам следует отнести большую величинy потерь преобразования и необходимость применения дополнительного источника высокого напряжения. Диэлектрический преобразователь может найти применение в дефектоскопии и исследованиях свойств материалов. Так, в работе из измерений характеристик такого преобразователя были определены постоянные электрострикции ряда материалов, используемых в качестве диэлектрического слоя.

Генерация акустических шумов. Имеется ряд специальных технических приложений, которые требуют использования радиосигналов с широким спектром. Частот со сложной временной структурой. Источником таких сигналов (генератором “шумов”) может служить акустоэлектронный усилитель, работающий в режиме насыщения тока.

Вследствие большой широкополосности акустоэлектронного усилителя, а также нелинейного взаимодействия и преобразования мод в усиливающем кристалле происходит генерация акустических волн в диапазоне частот от десятков мегагерц до десятков гигагерц. При этом в достаточно низкоомных пьезоподу проводниковых образцах при больших величинах напряженности приложенное к образцу электрического поля интенсивность шумового акустического тока сопровождаемого шумовым электрическим сигналом, достигает нескольких сотен Вт/см2.

Расчет показывает перспективность конструкции акустоэлектрических генераторов “шума” гигагерцевого диапазона частот, в которых акустические волны распространяются либо по некоторой замкнутой линии, лежащей в плоскости, либо в пластинах “косого” среза пьезополупроводника. В обоих случаях электронное усиление акустических волн на активных участках пути превосходит их затухание на пассивных участках, что, в принципе, позволяет получить на выходе большую величину интенсивности акустического потока.

2.2. МЕТОДЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ (ПРИЕМА) ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН

Большинство методов возбуждения ПАВ состоит подведении к поверхности твердого тела или границе раздела двух тел, изменяющегося во времени возмущения, создающие механические смещения, соответствующие смещениям в поверхностной акустической волне (например, с помощью клина, гребенчатой структуры). Возбуждение ПАВ наиболее эффективно, когда пространственный период возмущения равен длине поверхности волны. Это возмущение в общем случае возбуждает две поверхностные волны, распространяющиеся во взаимно противоположных направлениях.

Рис. 2.5. Способы возбуждения ПАВ в пьезоэлектрической пластине.

а-однофазный; б-двухфазный преобразователи.

1-звукопровод; 2-электроды; 3-сплошной электрод.

Возбуждение (прием) ПАВ с использованием пьезоэлектриков. В пьезоэлектрической подложке периодическое упругое возмущение легко осуществить с помощью нанесенной на ее поверхность системы металлических электродов, соответствующим образом ориентированных по отношению к кристаллографическим осям. Эта система представляет собой совокупность штырей с пространственным периодом 2L, изготовленных в виде однофазной (рис. 2.5,а) или двухфазной (рис. 2.5,6) решетки. Поскольку в последнем случае конструкция представляет собой две подсистемы вдвинутых друг в друга штырей, она получила название встречноштырьевого преобразователя (ВШП). Локальное упругое возмущение среды, возникающее вследствие обратного пьезоэффекта при приложении к электродам переменного электрического поля частоты f, эффективно возбуждает ПАВ на той же частоте (частоте синхронизма), если пространственный период преобразователя равен длине ПАВ.

В настоящее время ВШП являются основным типом электромеханических преобразователей, используемых для возбуждения ПАВ Они могут быть изготовлены известными методами литографии дли работы в устройствах с основными частотами до нескользких гигагерц с полосой пропускания до 100% и потерями преобразования до 2 дБ в зависимости от величин f0 и .

Развитием этого метода является способ возбуждения ПАВ с помощью ВШП, нанесенного на вспомогательную диэлектрическую пластинку, приложенную через узкий воздушный зазор к поверхности пьезоэлектрического звукопровода. Данный способ имеет меньшую эффективность по сравнению с рассмотренным выше методом возбуждения ПАВ с помощью ВШП, изготовленного непосредственно на поверхности звукопровода, поскольку электрические поля ПАВ вне пьезоэлектрика экспоненциально спадают с увеличением расстояния от его поверхности. Однако он дает возможность использовать один и тот же ВШП для возбуждения ШАВ в разных точках звукопровода или в разных пьезоэлектрических образцах. Такой способ находит применение в процессе макетирования акустоэлектронных устройств и в физических исследованиях.

Указанные выше достоинства ВШП являются одной из главных причин широкого применения пьезоэлектрических кристаллов в акустоэлектронике. Однако выбор материалов с большой величиной k2, на базе которых возможно изготовление эффективных преобразователей, ограничен сравнительно небольшой группой кристаллов. Вместе с тем на практике часто требуется возбуждать ПАВ также и в непьезоэлектрических материалах. Это необходимо, например, при создании акустичеких линий задержки из термостабильных стекол. Отсутствие зависимости метода возбуждения от пьезоэлектрических свойств подложки дает большую гибкость при выборе материала звукопровода и позволяет руководствоваться при этом лишь соображениями его стоимости, коэффициентом акустического затухания или требованиями к материалу, специфичными для проектируемого ПAB- устройства.

Для возбуждения ПАВ с помощью ВШП в пьезоэлектрических звукопроводах на поверхность последних дополнительно напыляют пьезоэлектрическую пленку, на которой (или под ней) наносится система электродов ВШП. В ряде случаев для повышения эффективности работы преобразователя противоположная поверхность пленки в области ВШП металлизируется. Всего возможны четыре основных конфигурации пленочного ВШП на непьезоэлсктрических звукопроводах. Теоретически рассмотрены наиболее перспективные для применений комбинации пьезоэлектрика (ZnO, LiNbO3, CdS) и звукопровода (Si, AL2O3, плавленый кваоц). Было показано, что с металлизированной пленкой в преобразователях из ZnO имеется возможность возбуждения ПАВ даже для тонких пленочных . При этом на подложке из Si величина k2 составлю около 1%, что значительно больше k2 для ПАВ в кристаллическом SiO2. Отметим что при оптимальной величине d/, примерно равной 0,38 для пленки LiNbO3, нанесенной на AL2O3, в конфигурации, получено значение k2=8%. Эта величина в 1,6 раза больше, чем для монокристаллического LiNbO3. Экспериментальные результаты, полученные при нанесении пленок ZnO на плавленый кварц и термостабильное стекло, дали удовлетворительное согласование с расчетом и показали перспективность такого метода возбуждения ПАВ на непьезоэлектрических подложках. Однако все же заметим, что данный способ возбуждения ПАВ в непьезоэлектрических материалах применим лишь к звукопроводам, совместимым с технологией получения вершенных пьезоэлектрических пленок, которая обычно включает в себя соответствующую химическую обработку и требует повышенных температур подложки. К тому же изготовление совершенных высокоомных пьезоэлектрических пленок заданной ориентации и сравнительно большой толщины, необходимых для получения малых потерь преобразования, представляет достаточно сложную технологическую задачу. Поэтому, несмотря очевидные достоинства этого метода возбуждения ПАВ, на практике он используется пока еще сравнительно редко. Более чаще для возбуждения ПАВ в непьезоэлектриках применяются способы основанные на преобразовании объемных волн в поверхностные или преобразовании поверхностных волн в поверхностные.

3. АКУСТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Акустические измерения—это измерения механических величин, связанных с колебаниями частиц среды, относительно положения, которое занимали бы частицы среды при отсутствии акустического колебания (колебательных смещений, скорости, ускорения частиц среды, звукового давления и др.). К ним относятся также измерения колебаний материальной точки (тела) относительно ее положения равновесия или относительно других материальных точек (виброперемещение, виброскорость, виброускорснис и пр.).

Особенностью акустических измерений является их широкий частотный и динамический диапазон: от тысячных долей герца до сотен килогерц в воздухе и до мегагерц в жидкости, от десятка децибел ниже Нуля, соответствующего 2- КГ5 Па, до 200 дБ и более. Измерения Проводят в свободном, диффузном и квазидиффузном звуковых Полях, а также при отсутствии волнового движения в камерах малого объема. Применяют объективные и субъективные методы измерения.

Методы акустических измерений делятся на стандартные и нестандартные. Стандартные — установленные в международных, государственных и отраслевых стандартах. Они должны быть обеспечены средствами измерений, на которые в стандартах установлены технические требования, методы испытания и поверки. При этом измеряют стандартизованные величины. Нестандартные методы измерений возникают при решении специальных задач, например при измерении звукоизоляции кабин наблюдения, и могут быть со временем стандартизовав ы (ГОСТ 23426—79).

Методы акустических измерений делят также на лабораюрные и - натурные. Первые могут быть выполнены в звукомерных камерах — заглушенных или реверберациончых — при соблюдении определенных внешних условий: температуры, атмосферного давления, относительной влажности, напряжения и частоты питающей сети.

При испытании изделий применяют также испытательные стенды, обеспечивающие привод, питание изделий (например, сжатым возду-ком), необходимые нагрузки.

Измерительные установки, включающие измерительные приборы, звукомерные камеры и испытательные стенды, подлежат метрологической аттестации ведомственной или государственной метрологической службой. В свидетельстве об аттестации указываю;' основные конструктивные и метрологические параметры измерительной установки, предельные значения параметров испытываемых изделий и погрешность измерений. Измерительные установки должны иметь техническую документацию определенной формы.

4. ПОЛНОЕ ЗВУКОВОЕ ПОЛЕ В ПОМЕЩЕНИИ ПРИ ДИФФУЗНОМ ПОЛЕ ОТРАЖЁННОГО ЗВУКА.

Плотность энергии полного звукового поля w в любой точке помещения складывается из плотностей энергии прямого Wa И отраженного (диффузного) звука:

             (4.1)                                 

Постоянная помещения, м2,

     (4.2)

Рис. 6.12. Распределение уровней звукового давления около источника звука в условиях диффузного поля отраженного звука:

1 — ближнее поле; 2— дальнее поле; 3— спад 6 дБ/удвоение расстояния; 4 — зона прямого звука М < 1; 9— зона отраженного звука, М > 1; rup — предельный paдиус.

служит мерой звукопоглощения в помещении; - суммарное звукопоглощение в помещении или эквивалентная площадь звукопоглощения, м2. Степень диффузности поля в данной точке характеризуют акустическим отношением.

   (4.3)

Общая картина распределения уровней звукового давления в помещении представлена на рис. 6.12. Область помещения, в которой преобладает прямой звук < 1), называется зоной прямого звука; область М > 1 называется зоной отраженного звука. Граница между ними .определяется предельным радиусом

    (4.4)

5. АКУСТИЧЕСКИЕ ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОЛНЫ В ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ.

Функциональные акустоэлектронные устройства на акустических поверхностных волнах (АПВ), предназначенные для обработки информации, такие как линии задержки, полосовые и согласованные фильтры, генераторы и корреляторы, дисперсионные линии задержки, находят самое широкое применение в разнообразной радиоэлектронной аппаратуре для систем связи и радиолокации. Использование акустоэлектронных устройств позволяет существенно упростить схемные решения, уменьшить габариты и вес, повысить надёжность аппаратуры. Характеристики АПВ- устройства во многом определяются параметрами материала звукопровода, поэтому для того, чтобы в полной мере реализовать потенциальные преимущества акустоэлектронного прибора, разработчику необходимо чётко представлять достоинства и недостатки как существующих, так и новых материалов, появление которых обусловлено постоянным развитием и совершенствованием технологических процессов. Это предполагает наличие определённой методики быстрого расчёта таких характеристик материала, как скорость распространения АПВ, коэффициент электромеханической связи, отклонение потока энергии от волновой нормали, затухание поверхностной волны при её распространении, пространственное распределение деформации и электрических полей в звукопроводе, дифракционная расходимость пучка, температурные коэффициенты скорости и времени задержки АПВ.

Влияние перечисленных характеристик на изменение параметров АПВ- устройства под действием внешних возмущений неравнозначно. Большие температурные коэффициенты скорости и задержки, например, приводят к значительной нестабильности фазовых характеристик, но практически не меняют амплитудно-частотные характеристики прибора. С другой стороны, без точечных сведений о скорости распространения и коэффициенте электромеханической связи принципиально невозможны конструирование и расчёт приборов.

Как известно, дисперсионное уравнение для АПВ в анизотропных кристаллах нельзя получить в аналитическом виде, поэтому даже для центросимметричных кристаллов приходится использовать численные методы решения. Влияние пьезоэффекта на скорость АПВ можно учесть путём введения “ужесточённых” модулей упругости, однако для сильных пьезоэлектриков такое упрощение расчёта даёт большую погрешность, а коэффициент электромеханической связи остаётся неопределённым.

СОДЕРЖАНИЕ

1. АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ 1

1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 1

1.2. АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В ИЗОТРОПНОМ ТВЕРДОМ ТЕЛЕ. 5

1.3. АКУСТИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ В АНИЗОТРОПНОМ УПРУГОМ ТВЕРДОМ ТЕЛЕ 14

2. ВОЗБУЖДЕНИЕ И ПРИЕМ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН 23

2.1. ВОЗБУЖДЕНИЕ (ПРИЕМ) ОБЪЕМНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН 23

2.2. МЕТОДЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ (ПРИЕМА) ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН 28

3. АКУСТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ 32

4. ПОЛНОЕ ЗВУКОВОЕ ПОЛЕ В ПОМЕЩЕНИИ ПРИ ДИФФУЗНОМ ПОЛЕ ОТРАЖЁННОГО ЗВУКА. 34

5. АКУСТИЧЕСКИЕ ПОВЕРХНОСТНЫЕ ВОЛНЫ В ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КРИСТАЛЛАХ. 35


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

82974. Опухолевая прогрессия. Метастазирование, кахексия, рецидирование опухолей 47 KB
  Злокачественные опухоли зачастую становятся причинами смерти людей. Согласно цитологической и гистологической структуре опухолевых клеток и тканей выделяют доброкачественные и злокачественные опухоли. Доброкачественные опухоли. Такие опухоли растут медленно и как правило не метастазируют.
82975. Антропогенные факторы загрязнения гидросферы 45.11 KB
  Существование всего живого на земле и человека в частности основано на использовании воды. Установлено что более 400 видов веществ могут вызвать загрязнение воды. Постоянно загрязняются и подземные воды при просачивании промышленных и хозяйственно-бытовых стоков из хранилищ накопителей отстойников...
82976. Узагальнення та систематизація знань по темі «Поняття» 136 KB
  Систематизувати знання про поняття вдосконалювати вміння розв’язувати логічні задачі класифікувати та порівнювати предмети. Сьогодні ми закріпимо і узагальнимо наші знання з теми Поняття. Побудова Асоціативного куща спираючись на знання дітей по темі Поняття.
82977. Виготовлення геометричних фігур при допомозі аплікації. Порівняння фігур за кольором, розміром, формою 1.67 MB
  Мета: вчити виготовляти геометричні фігури з паперу за допомогою аплікаціїпорівнювати фігури за кольором формою розміром; розвивати розумові здібності мовлення творчі здібності учнів; виховувати любов до своєї родини; допомогти дитині зрозуміти які цінності є духовним фундаментом повноцінної...
82978. Творимо казковий світ «Кольорочас». We create the world of wonder «Colourtime» 623.5 KB
  Мета: географія ознайомити учнів з етапами формування української нації;сформувати в учнів поняття про національний склад населення та пояснити причини його строкатості; назвати етнографічні групи українців та національні меншини; обґрунтувати географію розміщення історико географічних етнографічних...
82979. Казки народів світу, Ш. Перро «Кіт у чоботях» 1.58 MB
  Мета: Продовжити знайомство з казками народів світу. Формувати в учнів уміння повно, точно, емоційно робити висновки і висловлювати судження про прочитане та посилатися під час відповіді на текст книжки; активізувати читацьку пам’ять; збагачувати словниковий запас...
82980. Речення. Види речень за метою висловлювання 913 KB
  Мета: Допомогти глибше усвідомити поняття мета висловлювання; з’ясувати які будуть речення за метою висловлювання; формувати вміння визначати види речень за метою висловлювання; будувати речення різних типів; відпрацьовувати навички грамотного письма; розвивати навички зв’язного мовлення...
82981. Людина серед людей. Норми поведінки. Вихованість 126 KB
  Освітній продукт: колективно створений ілюстрований довідник Людина серед людей. Людина серед людей. В усі часи ще з самого початку виникнення на Землі Людини вона почала замислюватися над своїм призначенням в житті над своїм значенням для інших людей і всього світу.
82982. Основні права та обов’язки громадянина 159.5 KB
  Формувати правові знання учнів; дати загальне поняття про моральні норми загальнолюдські цінності; виховувати пошану до законів України; виховувати громадянські почуття; формувати правову свідомість молодших школярів.