Устройство и принцип работы ПАВ -преобразователей

Акустические волны могут существовать как в твердой, так в жидкой и газообразной средах, причем в технике широко используются акустические волны во всех типах материальных сред.

Акустическая волна в твердом теле представляет собой некоторое возмущение, связанное с деформацией материала. При смещении атомов из положения равновесия возникают внутренние упругие силы, стремящиеся вернуть их в исходное положение. Благодаря взаимному влиянию атомов друг на друга смещение одного атома из узла кристаллической решетки вызывает смещение соседних. Таким образом, возникающее возмущение распространяется внутри твердого тела.

В большинстве материалов возвращающие силы пропорциональны степени деформации при условии, что они незначительны. Материал в этом случае называют упругим, а волны в таком материале – упругими волнами или акустическими. В идеально упругом теле акустические волны могут распространяться без затухания.

Простейшим типом волны являются плоские волны. Такие волны могут существовать только в бесконечной однородной среде. В некоторых случаях и для некоторых типов волн бывает допустимо рассматривать распространение волны в среде ограниченных размеров как в неограниченной (если а>>, где а – минимальный размер тела).

Существует два типа плоских волн:

· продольные волны, в которых узлы кристаллической решетки колеблются вдоль направления распространения;

· поперечные волны, в которых узлы кристаллической решетки колеблются в плоскости, перпендикулярной направлению распространения.

Если среда, в которой распространяется волна, ограничена, то в такой среде могут распространяться волны, локализованные вблизи поверхности или поверхностные волны. В ограниченном твердом теле могут распространяться несколько типов поверхностных волн, свойства которых существенно зависят от граничных условий.

Одним из типов поверхностных волн являются рэлеевские волны. Амплитуда этих волн экспоненциально убывает с глубиной так, что 90% переносимой энергии сосредоточено в слое глубиной ~. Явление распространения поверхностных волн было впервые описано лордом Рэлеем в 1885 году. В настоящее время поверхностные волны представляют наибольший интерес для практического использования.

На характер колебаний в поверхностной волне оказывают влияние условия на поверхности. Так, если поверхность неметаллизирована, то нормальные компоненты тензора напряжений равны нулю, а нормальная компонента вектора электрического смещения непрерывна.

В случае металлизированной поверхности металлом, не оказывающим механической нагрузки (бесконечно малой толщины), нормальные компоненты тензора механических напряжений равны нулю, касательные компоненты электрического поля на поверхности в отсутствии электрического тока равны нулю, а при наличии свободных зарядов на поверхности нормальная компонента вектора электрического смещения претерпевает разрыв, равный поверхностной плотности заряда.

Приведенные выше граничные условия определяют структуру и тип поверхностных волн, распространение которых возможно в среде.

Помимо рэлеевских волн, имеющих вертикальную поляризацию, активно используются в настоящее время в АЭУ поверхностные волны с преимущественно горизонтальной поляризацией вектора механического смещения; вытекающие волны, имеющие комплексную постоянную распространения даже в среде без потерь, и др.

Как объемные, так и поверхностные волны получили широкое распространение в целом ряде устройств благодаря значительно меньшей скорости распространения их в твердом теле (~м/с) по сравнению с электромагнитными волнами в диэлектрических структурах (3·м/c). Это обстоятельство позволяет существенно уменьшить размеры устройств и выполнить их в интегральном исполнении. Кроме того, эти волны являются бездисперсионными (т. е. у них отсутствует зависимость скорости от частоты колебаний) и они имеют небольшое затухание вплоть до сверхвысоких частот.

Практическое использование поверхностных акустических волн (ПАВ) началось в середине 60-х годов в фильтрах для аналоговой обработки сигналов, когда были предложены и реализованы устройства для их возбуждения - встречноштыревые преобразователи (ВШП).

Позднее устройства на поверхностных акустических волнах (ПАВ) нашли применение в качестве фильтров промежуточной частоты телевизионных приемников. Затем, в радарах нашли применение дисперсионные линии задержки в качестве устройств для формирования и сжатия линейночастотномодулированных (ЛЧМ) сигналов. Благодаря небольшим габаритам и весу при высокой надежности область использования устройств на ПАВ стала быстро расширяться.

Помимо поверхностных волн, имеющих вертикальную поляризацию вектора механического смещения (рэлеевских), широкое распространение получили также устройства на ПАВ, использующие ПАВ с горизонтальной поляризацией вектора механического смещения (STW), а также вытекающие, приповерхностные и объемные акустические волны.

В настоящее время существует большое количество акустоэлектронных устройств различного типа. Среди них можно выделить элементарные, на основе которых строятся более сложные устройства.

К элементарным АЭУ относятся:

· бездисперсионные линии задержки (с линейной зависимостью фазы задержанного сигнала от частоты);

· дисперсионные линии задержки (с квадратичной зависимостью фазы задержанного сигнала от частоты);

· многоотводные линии задержки с кодированием по фазе задержанных сигналов;

· резонаторы на основе различного типа поверхностных и объемных волн;

· фильтры различного типа, в том числе трансверсальные, а также на основе резонаторов, использующих различные типы поверхностных и объемных волн.

Элементарные АЭУ широко используются в различного рода компонентах радиотехнических систем. Среди таких компонентов можно выделить следующие:

· датчики различных физических величин (давления, крутящего момента и т.д.);

· гребенчатые фильтры или банки фильтров – устройства частотного разделения каналов, имеющие, как правило, один вход и от двух до 40 выходов;

· устройства формирования и сжатия сигналов с различными типами частотной модуляции;

· устройства формирования и сжатия фазокодоманипулированных (ФКМ) сигналов;

· входные фильтры радиоприемных устройств, фильтры тракта промежуточной частоты (ПЧ) радиоприемных и радиопередающих устройств (например, мобильной связи);

· анализаторы спектра радиосигналов;

· корреляторы, в том числе корреляторы с памятью;

· генераторы высокостабильных сигналов на основе резонаторов на поверхностных и объемных акустических волнах;

· устройства калибровки по дальности и контроля энергопотенциала;

· дуплексеры, сумматоры, разветвители, фазовращатели, аттенюаторы.

Перечисленные выше устройства используют поверхностные или объемные акустические волны, распространяющиеся в твердом упругом теле. Среда распространения упругих волн не всегда обладает пьезоэлектрическими свойствами. Вместе с тем пьезоэффект необходим для возбуждения акустических волн. Поэтому, в случае использования непьезоэлектрического материала, возбуждение акустических волн осуществляется с помощью преобразователя, состоящего из электродов и пьезоэлектрического слоя. В этом случае для эффективной передачи возбуждаемой волны преобразователь должен иметь хороший акустический контакт с непьезоэлектрической средой распространения акустической волны.

Частотный диапазон устройств на поверхностных акустических волнах составляет от 10 МГц до 2 ГГц (в лабораторных образцах до 5 ГГц), а устройств на объемных акустических волнах достигает 12 ГГц.

Измерительная часть СКВИДа

Основы взаимодействия электромагнитных волн и пучков частиц с веществом

Емкостной иммуносенсор

Физические основы акустооптических устройств Акустооптика —

Вернуться в оглавление: Физические явления