Распространение и возбуждение поверхностных акустических волн в твердых телах

Если твердое тело является ограниченным, то помимо объемных волн в таком образце могут существовать и другие типы волн, характеристики которых определяются наличием границы. Упругие волны, распространяющиеся вблизи поверхности тела и не проникающие вглубь вещества, называют поверхностными акустическими волнами. Впервые свойства акустических поверхностных волн, распространяющихся вдоль свободной плоской поверхности однородного изотропного тела, были описаны Релеем, и теперь эти волны носят его имя. Релеевские волны не обладают дисперсией, а их фазовая скорость меньше скорости продольных и поперечных волн в изотропном твердом теле. Амплитуда смещений в релеевской волне убывает с глубиной, а траекториями движения частиц среды под действием волны являются эллипсы, плоскости которых перпендикулярны поверхности тела и совпадают с направлением распространения волн.

Для эффективного возбуждения ПАВ на поверхности тела необходимо создать переменные во времени и периодические в пространстве механические напряжения. В пьезокристаллах для этой цели, прежде всего, служит встречно-штыревой преобразователь (ВШП), представляющий собой систему металлических противофазных электродов, помещенных на поверхность пьезокристалла (рис. 1). При подаче на электроды ВШП электрического напряжения, изменяющегося с частотой со, в прилегающих к электродам участках пьезоэлектрического кристалла за счет пьезоэффекта возникают механические напряжения, приводящие к возбуждению каждым штырем акустических объемных и поверхностных волн. Так как штыри расположены периодически, то при u) = u)0 = 2ftv/d, т. е. при d = со, v = - соответственно скорость и длина ПАВ, поверхностные акустические волны, извлеченные отдельными штырями, складываются в фазе и, следовательно, ПАВ возбуждаются наиболее

Система ВШП интенсивно

Рисунок 1 - Система ВШП интенсивно. На этом же принципе основана работа ВШП в режиме приема. Частотная характеристика ВШП зависит от числа пар штырей N. Относительная амплитуда возбуждаемой поверхностной волны как функция частот со = ©0 + Дсо определяется с помощью комбинационного множителя, аналогичного комбинационному множителю дифракционной решетки:

или для больших Nn:

Nn л&а>

где % =- .

Величина добротности Q равна N, а относительная полоса пропускания по уровню 3 дБ определяется выражением 1/N . Эффективность ВШП г|, определяемая как отношение мощности излучаемой волны к входной электрической мощности (в режиме излучения), зависит от коэффициента электромеханической связи в выбранном направлении пьезокристалла, геометрии и числа встречно-штыревых электродов. На резонансной частоте в несогласованном режиме величина г| может быть представлена в виде:

где G - фактор, характеризующий влияние геометрии электродов, а именно - отношение ширины электрода i к расстоянию между соседними электродами m=d/2; К - коэффициент электромеханической связи.

Экспериментальным путем или в ходе решения краевой задачи можно определить параметры G и К2. Для наглядности приведем значения параметров G и К2, рассчитанные для ПАВ, распространяющейся вдоль Х-направления У-среза кристалла кварца: при со = о)0,1/ш = 0,5, максимальное значение Gmax(l/m) = 3, величина К2 в данном направлении -0,0018. Таким образом, для полного преобразования энергии ПАВ в электрический сигнал в данном случае необходимо выбрать Nn = 140. Для сильных пьезоэлектриков типа ниобата лития типичные значения К2 составляют -0,05 и число пар электродов ВШП для оптимального преобразования снижается до N = 5. При этом, очевидно, значительно расширяется полоса частот преобразователя. Кроме того, вследствие очевидной двунаправленности излучающего ВШП и отражения части энергии ПАВ от приемного ВШП при его согласовании с электрической цепью, минимальный уровень потерь на двойное преобразование (излучение и прием) для обычных ВШП (без принятия специальных мер) ограничен уровнем 6 дБ.

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

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >