F_07_sound (Лекции (Ляхова)), страница 2

Рис. Датчик состава газа на ПАВ.

Вибродвигатели (ВД). Сочетание объемной и поверхностной деформации позволяет реализовать сложные конфигурации: изгибы и кручение смежных сечений пьезоэлемента. Это используется для создания прецизионных приводов инструментов и манипуляторов. Двумерное движение колеблющегося звена может быть представлено любой комбинацией продольных, поперечных, радиальных, изгибных, крутильных и сдвиговых колебаний. Важным требованием является совпадение хотя бы одного узла колебаний разных видов для точки крепления преобразователя. Поступательное движение формируется на этапе расширения. Обратное движение нейтрализуется трением.

Если в замкнутом пьезорезонаторе реализовать бегущую волну, он может выполнять роль статора, за счет трения приводящего в движение диск – ротор. Формируется двигатель вращения.

а б

Рис. (а) – структура двигателя вращения, (б) – схема передачи движения от статора к ротору.

Рис. Изображение двигателя вращения кодированного диска.

Акустоэлектронный эффект.

Фонон - электронное взаимодействие наблюдается в системе "полупроводник на пьезоэлектрике". Распространяющаяся вдоль границы раздела ПАВ вызывает дрейф свободных носителей заряда полупроводника. Это вызывает дополнительные потери мощности ПАВ. Если же к полупроводнику приложить постоянное электрическое поле, вызывающее дрейф носителей заряда вдоль распространения ПАВ, то носители заряда могут передавать свою энергию ПАВ при V_др>V_поп . Это явление известно как акустоэлектронный эффект. Акустическая линия передачи превращается в усилитель ПАВ (однонаправленный). Аналогичное явление происходит в пьезополупроводнике: Cd Se, Cd S, Li Nb O₃ . Акустоэлектронный эффект используется, помимо усилителя, в фазовращателях, датчиках температуры.

Усилитель на подложке Li Nb O₃ без подпитывающего напряжения ослабляет сигнал на 25 дБ. При подаче напряжения 160 В усиление сигнала могло бы составить 35 дБ. Результирующее усиление – 10 дБ. Основные достоинств использования ПАВ - в меньших габаритах и чистой полосе пропускания.

Регулируемый фазовращатель обеспечивает в диапазоне напряжения от 0 до 45 В изменение фазы от 0⁰ до 360⁰. В датчиках температуры используется пироэлектрическое свойство сегнетоэлектриков подложки – звукопровода: изменение геометрических размеров в зависимости от температуры. Более точные результаты дают фазовые измерения: при изменении температуры от 120 К до 400 К фаза изменяется от 0 до 40π.

Акустооптический эффект.

При прохождении в среде акустических колебаний в ней появляются области с механическими напряжениями (области сжатия и разряжения), что приводит к изменению коэффициента преломления оптической cреды n. Области с измененным показателем n образуют центры дифракции для падающего света. Частотный сдвиг дифрагированного света определяется частотой акустических колебаний. Акустооптический эффект используется для реализации частотных модуляторов света, а также актуальных для аэродромов дистанционных датчиков давления, вибрации.

Для модулирования оптического (лазерного) излучения может быть использован оптический микрофон. Под действием звука диафрагма (3) и пластина (4) колеблются, что приводит к осцилляции директора в слое нематического жидкого кристалла (НЖК) и к периодическому изменению двулучепреломления. Это изменяет фазу оптического излучения. Т.о. происходит фазовая модуляция лазерного излучения. Зарегистрировано данное излучение может быть с помощью фотодиода (8) и определенной настройки поляроидов (4) и (7).

Рис. хема оптического микрофона.

С повышением интенсивности света происходит электрострикция и нагревание среды. В результате возникают переменные упругие напряжения и генерируются звуковые волны с частотами от слышимых до гиперзвуковых; это оптоакустический эффект.

АВ может быть визуализирована с помощью жидких кристаллов (ЖК).

Для регистрации акустического поля используется термооптический приемник звука с использованием холестерических жидких кристаллов (ХЖК). Звуковая волна проходит через опорную пластину - носитель из поглощающего звук материала (металлическая мембрана, пленка из полиэтилена или майлара), на которую нанесен слой поглотителя (парафина) и ЖК. В результате поглощения звуковой энергии создается тепловое поле. Для наблюдения картины теплового поля используется источник света.

Речь человека - это акустические колебания, возбуждаемые мышцами гортани и рта. От голосовых связок до губ – около 20 см. От того, где наблюдается наибольшая амплитуда колебаний, зависит артикуляция звуков. Тональные, гласные, звуки формируются голосовыми связками. Сонарные (м, н, л, р) и шумовые (п, б, т, к) звуки более сложного воспроизведения. Звуки имеют различную форму и частотный спектр. Форма, спектр и длительность звуковых сигналов, произнесенных разными людьми, существенно различается. Это затрудняет распознавание звуков и, тем более речи – слитного каскада звуков. Каждый звук или слог (фонема) имеет своеобразную амплитудно-временную форму сигнала и свой спектр частот, поэтому их можно различить.

Системы распознавания используют сравнение с эталонными образами фонем или слов. Между образами должна быть пауза не менее 0,1с. Темп речи при вводе команд составляет менее 70 слов в минуту. Распознанные образы появляются на экране дисплея и должны проверяться оператором.

Из-за сложности процесса распознавания словарь ограничивается отдельными терминами: "точить", "резьба", фрезеровать по линии, - всего несколько десятков команд. Человек обладает индивидуальными особенностями речи, поэтому требуются создания эталонных образов для каждого оператора. Это существенно ограничивает круг "речевых" программистов.

Рис. Преобразование аналогового голосового сигнала в цифровой ряд.

Речевое программирование используется в автоматизированном производстве для ввода данных в ЭВМ, в том числе команд для оборудования с числовым программным управлением ЧПУ. Использование речевого ввода данных целесообразно для небольших программ, для оперативной корректировки или исправления ошибок. Это удобно при выявлении брака, перечислении комплектующих (управлении запасами). Разрабатываются программы управления навигационными системами автомобиля.

Физико-химическое действие УЗ.

При воздействии УЗ частицы среды совершают интенсивные колебания. Разность давлений на расстоянии 1/2 длины волны может достигать десятков атмосфер. В результате оказывается механическое, тепловое и химическое воздействие.

Механические воздействия включают акустические течения, давление звуковой волны, кавитацию.

Акустические течения являются результатом действия закона сохранения количества движения: переносимое звуковой волной количество движения, связанное с колебаниями частиц среды, при поглощении волны передается среде, вызывая ее регулярное движение. (Рэлей заметил, что звучащий перед резонатором камертон гасит свечу у другого конца резонатора.) Акустические течения у поверхности препятствий активизируют процессы массо- и теплопередачи через их поверхности. В процессе электролиза акустические течения УЗ в результате отражения от стенок ванны вызывают перемешивание электролита, способствующее выравниванию концентрации и удалению избытка газа из прикатодного пространства и пор катода (дегазации).

Давление звука определяется импульсом, передаваемым волной в единицу времени единице площади препятствия. Давление на границе двух жидких или газообразных сред приводит к вспучиванию поверхности раздела, которое при достаточной интенсивности приводит к фонтанированию. Это свойство используется для распыления жидкостей. АВ более энергетически эффективна, чем одноразовое воздействие. Давление звука может быть использовано для реализации эффекта акустической левитации – парения объекта. Левитации может быть полезна для транспортировки хрупких малоразмерных объектов.

Рис. Левитация объекта в акустическом поле.

Эффект (Acoustic Levitation) достигается за счет формирования такого акустического поля, при котором силе гравитации противодействовало бы давление звука (Sound Pressure). Акустическое поле c требуемым распределение давления (Pressure Distribution) формируется в пространстве между преобразователем (Transducer) и отражателем (Reflector).

Рис. Схема формирования акустической левитации.

В жидкости УЗ вызывает явление кавитации. Продольная УЗ волна образует чередующиеся зоны высокого и низкого давлений, т.е. области сжатий и растяжений. В разряженной зоне гидростатическое давление понижается до такой степени, что силы, действующие на молекулы жидкости, становятся больше сил межмолекулярного сцепления. Жидкость локально разрывается, образуя множество газовых пузырьков. В период высокого давления пузырьки “схлопываются”, образуя ударные волны с большим мгновенным давлением.

Тепловое воздействие имеет место при поглощении УЗ колебаний. В зоне повышенного давления температура может достигать 1000 К. Нагревание неравномерно, наибольшее - на границе сред с различным волновым сопротивлением.

Химическое воздействие выражается в изменении свойств веществ в результате разрыва молекулярных связей под действием кавитации, акустических течений и локального нагревания. Кавитация активизирует электрохимические процессы. Улучшается структура покрытий: равномерность, мелкозернистость, толщина, твердость, адгезия к подложке. Кавитация способствует проникновению расплава в поры материала (звуко-капиллярный эффект), инициирует химическое взаимодействие.

Технологические процессы с применением УЗ.

Кристаллизация с УЗ дает мелкозернистую структуру, поскольку акустические течения и кавитация раскалывают зародыши. Тепловое воздействие стимулирует создание множественности центров кристаллизации. В результате получается пластичная мелкозернистая структура.

Сушка связана с ускорением тепло- и массообмена за счет акустического течения.

Очистка использует все виды механических воздействий УЗ для дробления и удаления с очищаемой поверхности пленки окислов, жиров и других загрязнений. Тепловое и химическое воздействия интенсифицируют действие моющих жидкостей.

Размерная механическая обработка (сверление, фрезерование, шлифование, гравирование) твердых, хрупких материалов (но не пластичных: свинца, мягких сталей,..) производится сочетанием постоянного давления и УЗ, которое инициирует разрушение абразивом упругой поверхности детали . В пластичную поверхность абразив вдавливается, не разрушая ее.

Сварка металлов и полимерных материалов производится сочетанием постоянного давления и УЗ. Постоянное давление необходимо для образования физического контакта поверхностей, при этом сминаются микронеровности, увеличивая площадь соприкосновения. УЗ обеспечивает локальных нагрев вплоть до температуры плавления и образования на границе раздела металлов общих “зерен” кристаллической структуры. В неметаллах УЗ оказывает механическое воздействие для удаления загрязнений и поверхностных пленок, тепловое воздействие: нагрев до вязкотекучего состояния аморфных полимеров и плавлению кристаллических полимеров, а также химическое воздействие, ведущее к разрыву прежних связей и установлению новых химических связей с присоединяемым материалом.

Рис. Схема сварки металлов и пластмасс воздействием УЗ (4).

Металлизация и пайка металлов (Al, Cu, Ti,, Nb,..) и неметаллов (керамики, стекла, ферритов, полимеров) при нагревании с УЗ использует кавитацию, ударные волны при которой могут создавать давление до 10⁵ атм и разрушать окисные пленки и загрязнения. Акустические течения уносят частицы и перемешивают расплав в области контакта. Кавитация способствует проникновению расплава в поры материала (звуко-капиллярный эффект), инициирует химическое взаимодействие.

Датчики. УЗ датчики основаны на изменении скорости звука в разных средах, коэффициента отражения на границе двух сред (амплитуды и фазы).

Датчик концентраций основан на скорости звука в более плотной среде.

Расходомер использует разность скоростей УЗ в неподвижной и движущейся среде или величину “сноса” УЗ пучка потоком контролируемой среды.

Уровнемер жидкостей и сыпучих тел рассчитывает время распространения УЗ от преобразователя до контролируемой поверхности и обратно при известной скорости.