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 Z—LiNbO 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

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. 2.3. 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.

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 d_B 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, d_B=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.