Генераторы динамических неоднородностей

Возбуждение динамических неоднородностей в виде акустической волны в пьезоэлектрике осуществляется с помощью вложенных друг в друга групп электродов, которые получили название встречно-штыревых преобразователей (ВШП).

Другое название такой системы электродов — двухфазный преобразователь ПАВ. Две группы чередующихся электродов соединены шинами, которые в свою очередь подключены к источнику напряжения (рис. 2.4). При подаче на ВШП напряжения каждая пара электродов возбуждает ПАВ. Если период преобразователя 2(а+b) равен длине ПАВ, возникает явление акустического синхронизма. В этом случае волны, возбуждаемые каждой парой электродов, имеют одинаковую фазу, и происходит когерентное сложение волн.

Суммирование происходит за счет локальных деформаций, образующихся под промежутками между электродами. Образовавшаяся деформация начинает перемещаться в оба направления и достигает следующих промежутков как раз в тот момент, когда полуволна внешнего напряжения достигнет максимума и вызовет деформацию под своими электродами.

Сложение деформаций происходит при выполнении условия

λ = 2(а+b) = V_a / f,

где λ, , V_a , f - соответственно длина, скорость и частота звуковой волны. Такая картина происходит под каждой парой ВШП. Чем больше штырей содержит преобразователь, тем эффективней происходит преобразование электрической энергии в механическую, и наоборот.

Целесообразно ввести топологические и технологические параметры структуры.

Коэффициент металлизации определим как

При a = b H=0,5.

Рис. 2.4. Возбуждение ПАВ с помощью ВШП: a — топология ВШП;

б — схема возникновения акустических волн (сечение АА)

Частота синхронизации или центральная (рабочая) частота определяется выражением:

где d=2(a+b) - период структуры электродов.

Большое значение имеет топологический параметр W или апертура, определяющая степень перекрытия ВШП. Обычно выбирают значение апертуры W ~ 100λ. Апертура определяет форму импульсного отклика ВШП. Конструктивно ВШП выполняются в виде тонкопленочных металлических электродов (Аu, Аl). Толщина электродов h определяется технологией и обычно h ≤ a.

Коэффициент электромеханической связи является технологическим параметром.

Генерацией динамических неоднородностей можно эффективно управлять путем изменения характеристик преобразователей ПАВ. Исследовано несколько способов управления генерацией ПАВ.

Первый способ предусматривает управление генерацией ПАВ путем изменения топологии ВШП, включая изменение числа штырей, их расстановку, варьирование функции аподизации или изменения длины отдельных электродов (штырей) или их групп, изменение полярности отдельных штырей или их групп. Устройство с управляемой топологией электродов ВШП предусматривает изменение топологии путем перекоммутации отдельных электродов или их групп относительно общих шин преобразователя. Устройства такого типа обладают достаточно широким диапазоном перестройки характеристик в частотной и временной областях, их параметры приближаются к предельно достижимым. Технологические приемы изменения топологии сводятся к проекционным методам, либо навешиванию дискретных элементов и проволочных межсоединений.

Другой способ управления генерацией ПАВ связан с операцией "взвешивания" электродов преобразователей, которая реализуется за счет изменения количества активных пар ВШП. Это позволяет менять ширину полосы генерации ПАВ и, следовательно, изменять характеристики динамических неоднородностей. На рис. 2.5,а представлена конструкция дискретно-управляемой встречно-штыревыми преобразователями, которая позволяет получить набор амплитудно-частотных характеристик генерируемых ПАВ с различной шириной пропускания, но одинаковой для всех центральной частотой (рис. 2.5,б). Преобразователь разбит на секции a, b, c c числом штырей 1, 2 и 4, соответственно. Количество каналов K определяется числом секций nи равно

K=2ⁿ-1

Рис. 2.5. Генерация ПАВ с различными АЧХ (а) и схема коммутации пар ВШП (б)

В схеме коммутации предусмотрены усилители и обеспечивается контроль выходных параметров за счет применения электронных переключающих схем.

Устройство с управляемым "взвешиванием" электродов представляет собой целенаправленное изменение эффективности преобразования энергии, осуществляемого каждой парой электродов или их группой путем подключения к электродам управляемых импедансных элементов. Это могут быть резистивные, емкостные или индуктивные элементы, а также их комбинации.

Третий способ опирается на управление электрофизическими свойствами подложки под электродами. Мгновенная фаза ПАВ, генерируемая каждой парой ВШП, зависит от знака пьезоэлектрического коэффициента. В свою очередь знак пьезоэлектрического коэффициента может быть изменен переполяризацией в полном соответствии с гистерезисными свойствами материала. Такой прием позволяет управлять процессами генерации ПАВ, создать адаптивные устройства с "памятью". На рис. 2.6,а приведена одна из таких конструкций. Рядом с электродами ВШП 1 размещены электроды переключения поляризации 2, подключенные к источнику поляризующего

напряжения E^-< U_n <E⁺. Это позволяет менять знак поляризации материала звукопровода между металлическим электродом 3 и электродами 2 одновременно или путем перекоммутации локально под каждой парой ВШП. Варьируя значениями U_n и U_вх , можно эффективно управлять генерацией ПАВ.

Рис. 2.6. Конструкция адаптивного генератора ПАВ (а) и гистерезис

пьезоэлектрического звукопровода (б)

 

Двухфазные преобразователи позволяют генерировать колебания в обе стороны звукопровода "симметрично", другими словами, 50% энергии направо и 50% энергии налево. Однако можно управлять и направлением генерации ПАВ. С этой целью целесообразно использовать многофазные преобразователи, позволяющие синфазно подпитывать волну в заданном направлении (рис. 2.7, а). Фазовое распределение подбирается так, чтобы в обратном направлении условие синфазности не выполнялось. Однако полоса пропускания трехфазного преобразователя определяется протяженностью ВШП и ограничена. Для расширения полосы пропускания и достижения однонаправленности генерации предложен преобразователь бегущей волны (рис. 2.7,б). Каждый из электродов ВШП запитывается от одного из отводов электрической линии задержки. Линия задержки рассчитывается так, что время задержки между соседними отводами равно времени распространения ПАВ между соседними электродами. Это резко несимметричный генератор ПАВ, обеспечивающий строго однонаправленную генерацию.

Эффективное управление генерацией осуществляется путем подбора необходимых топологических и технологических параметров.

Рис. 2.7. Трехфазный (а) и многофазный (б) генераторы ПАВ