Лекции (Ляхова) (F_07_sound)

Посмотреть архив целиком

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:

Zуд = ρ Vзв,

где ρ - плотностью среды, Vзв – 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:

Vпрод =  (E / ) .

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

Vпоп = (G / ),

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


Частота f, МГц

100

1.000

, мкм

32

3.2

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 = Vпоп / 2d. Ограничения частотного диапазона:

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

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


Материал

Скорость ПАВ,

103,м/с

Коэффициент электромеханической связи, (максимально достижимый), К2 , %

Кварц

3.15 - 3.16

0.16 - 0.22

Ниобат лития

3.48 - 3.49

4.8 - 5.1

Танталат лития

3.28 - 3.33

0.68 - 1

Германат висмута

1.68 - 1.71

1.3 - 1.7

Йодит лития

2.2

5.6

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.



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 Vдр>Vпоп . 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.