F_07_sound (Лекции (Ляхова))

6

Акустические свойства.

Параметры акустической среды.

Если размеры объекта восстанавливаются после снятия внешнего механического воздействия, то он представляет собой упругую среду. Упругими волнами называются периодические распространяющиеся в упругой среде механические возмущения (деформация), или звук. Упругие механические воздействия передаются от поверхности воздействия вглубь вещества силами притяжения и отталкивания элементов вещества в соответствии с законом Кулона.

С квантовомеханической точки зрения акустические волны - это поток инжектируемых фононов. Акустические колебания (частиц кристаллической решетки) являются неравновесными (имеющими преимущественное направление), в отличие от тепловых. Затухание колебаний зависит от плотности среды: в газе затухание в 1000 раз больше, чем в твердом теле.

Акустические диапазоны: 0 ... 16 Гц - инфразвук, неслышимый человеческим ухом, 16 ... 20 КГц - слышимый звук, 20 КГц ... 1 Мгц - ультразвук, свыше 1 МГц - гиперзвук.

(Инфразвуковые колебания даже небольшой интенсивности вызывают тошноту и звон в ушах, уменьшают остроту зрения. Колебания средней интенсивности могут стать причиной расстройства пищеварения, нарушения функций мозга с самыми неожиданными последствиями. Инфразвук высокой интенсивности, влекущий за собой резонанс, приводит к нарушению работы практически всех внутренних органов, возможен смертельный исход из - за остановки сердца или разрыва кровеносных сосудов. Собственные (резонансные) частоты некоторых частей тела человека. Следует принимать особые меры защиты против появления звуковых колебаний со следующими частотами: 20-30 Гц (резонанс головы), 40-100 Гц (резонанс глаз), 0.5-13 Гц (резонанс вестибулярного аппарата), 4-6 Гц (резонанс сердца), 2-3 Гц (резонанс желудка), 2-4 Гц (резонанс кишечника), 6-8 Гц (резонанс почек), 2-5 Гц (резонанс рук)).

Ультра- и гиперзвук, благодаря малой длине волны, могут излучаться направленно. Отражение и преломление происходит по законам геометрической оптики. Используются зеркала и линзы, функционирование которых основано на варьировании акустических сопротивлений сред распространения. Удельное акустическое сопротивление:

Z_уд = ρ V_зв,

где ρ - плотностью среды, V_зв – скорость звука. На границе сред с разными сопротивлениями Z₁ и Z₂ происходит отражение с коэффициентом R = ((Z₁ - Z₂)/(Z₁ + Z₂))².

A

Z₁ Z₂

J R J ( 1 - R₁ ) e ^{- aA}

J x

J ( 1 - R₁ ) e ^{- aX} J ( 1 - R₁ ) e ^{- aA} ( 1 - R₂ )

Отражение Поглощение Прохождение

Рис. Схема распространения акустической волны. Z₁ , Z₂ - акустические сопротивления сред, R₁ и R₂ - коэффициенты отражения от границ раздела сред , a - коэффициент поглощения среды 2.

Виды взаимодействия при распространении акустических колебаний:

1) фонон - фононное - передача колебаний от одной частицы к другой для передачи информационного сигнала (неравновесное колебание) и инициирование тепловых (равновесных) колебаний. Тепловые колебания увеличивают затухание звука,

2) фонон - электронное - лежит в основе функционирования акустоэлектронных устройств,

3) фонон - дефектное - приводит к рассеянию инжектированных фононов на дефектах, т.е. требует идеальной структуры материала звукопровода.

Для возбуждения и приема акустических волн (АВ) используют пьезоэлектрический эффект, магнитострикцию, электростатический эффект, оптическое излучение.

Рис. Малоразмерный микрофон.

Продольные и поперечные волны.

Продольные волны Поперечные волны.

Рис. Схема сдвига частиц при продольных и поперечных волнах.

Продольные волны - это колебания растяжения и сжатия. Смещение частиц определяется величиной модуля упругости Е, а запаздывание смещения - массой частиц, т.е. плотностью среды . Скорость продольной волны:

V_прод =  (E / ) .

Поперечные волны - это сдвиговые колебания. Смещение ряда атомов происходит перпендикулярно направлению распространения волны со скоростью:

V_поп = (G / ),

где G- модуль сдвига. Поскольку E > G, то V_прод >V_поп . Для стали V_прод = 5.1 10³ м/с, а V_поп = 3.2 10³ м/с.

Деформация сдвига может сопровождаться в том числе изгибом, кручением смежных сечений (например, пьезоэлемента). Форма колебаний достигается определенным ориентированием кристаллофизических осей относительно точек присоединения электродов (как правило, больше одной пары), а также расположением узлов колебаний (в них отсутствует деформация). Эти принципы применяются в приводах прецизионных манипуляторов, способных выполнять сложные движения.

Объемные и поверхностные волны.

В упругой среде могут распространяться объемные (ОАВ) и поверхностные акустические (ПАВ) волны. Для возбуждения объемных волн на пьезоэлектрике формируют пару широких электродов, а для поверхностных волн - несколько пар узких электродов встречно – гребневой топологии. Для обратного преобразования акустических колебаний в электрические вторая пара электродов для ОАВ располагается на противоположной стороне кристалла, а для ПАВ - на той же.

объемных (а) и поверхностных волн (б).

Для объемных волн максимальная амплитуда наблюдается в подэлектродной области и экспоненциально затухает в перпендикулярном направлении. Это позволяет разместить рядом несколько устройств (с определенным коэффициентом связи – вблизи, а независимые устройства - на удалении). Затухание объемной волны велико, поскольку возбуждается большое число частиц. Дополнительное рассеивание мощности АВ происходит на дефектах, поэтому к материалу звукопровода предъявляются требования идеальной структуры. Скорость распространения АВ существенно меньше радиоволн и, следовательно, меньше длина волны  ( = V/ f). АВ эффективно использовать для линий задержки, где требуются тракты с многими .

Поверхностные акустические волны (ПАВ) распространяются в приповерхностном слое. Вдоль поверхности амплитуда АВ затухает медленно (частицы беспрепятственно сдвигаются наружу), а вглубь - быстро. Толщина слоя распространения ПАВ:

 = (1 ...2) . Чем меньше длина волны , тем меньше требуется бездефектного материала.

АВ от пьезопреобразователя расходится в двух направлениях. Для поглощения ненужной АВ на поверхность кристалла наносят резистивное или другое поглощающее покрытие. Встречно - гребенчатые электроды преобразования ПАВ имеют период

d = a + s,

где а - ширина проводника, s - зазор между разнополярными электродами. При равенстве  = 2 d происходит резонансное синхронное сложение упругих колебаний - акустический синхронизм. Резонансная частота f = V_поп / 2d. Ограничения частотного диапазона:

f_max - в разрешающей способности для реализации минимальных размеров а и d, также в

f_min - большой площади кристаллической подложки с идеальной структурой. Использование нанотехнологии позволяет существенно повысить верхний частотный предел.

В структуру устройств на ПАВ входят два преобразователя: В отличие от объемных АВ, с ПАВ можно использовать планарную технологию и легко связываться в любом месте поверхности. В датчиках массы (mass), вязкости (viscosity) на поверхность звукопровода между преобразователями наносится исследуемое вещество. Параметры вещества определяются по изменению фазы и амплитуды выходного сигнала по отношению к входному.

Рис. Схема датчика (вверху), (внизу) графики входного (input signal) и выходного (output signal)) электрических сигналов.