Введение к работе
Актуальность. Взаимодействие акустического и электрического полей в твердых телах часто встречается на практике и является одним из основных в физической акустике. Изучение этого взаимодействия позволило глубже проникнуть в сущность физических процессов, происходящих в твердых телах, и привело к созданию и практическому использованию большого числа пьезоэлектрических устройств, таких как излучатели и приемники ультразвука, резонаторы, фильтры, линии задержки, датчики температуры, влажности и других физических величин. Пьезоэлектрическое взаимодействие нашло применение в радиоэлектронике, гидроакустике, ультразвуковой дефектоскопии и в научных исследованиях. На протяжении последних двух десятилетий пьезоэлектрическое взаимодействие наряду с другими видами взаимодействий широко используется в новых направлениях физической акустики - акусто-электронике и акустооптике.
Следует, однако, отметить, что решение задач, включающих пьезоэлектрическое взаимодействие, в той числе на ранних стадиях развития в акустоэлектронике и акустооптике, фактически базировалось на приближении заданного поля, при котором не учитывается вторичное пьезоэлектрическое взаимодействие в ограниченном пьезо-электрике. Под вторичным пьезоэлектрическим взаимодействием здесь имеется в виду дополнительное влияние на первичные акустическое и электрическое поля ограниченного пьезоэлектрика прямого пьезоэффекта в режиме излучения и обратного пьезоэффекта в режиме приема. Поскольку взаимное влияние электрической и акустической подсистем в пьезоэлектрике определяется величиной коэффициента электромеханической связи, которая обычно меньше I, то традиционно считалось, что вторичное пье-
зоэлектрическое взаимодействие в ограниченном пьезо-электрике не может существенно изменить первоначально заданные электрическое и акустическое поля. В тех немногочисленных работах, известных в конце 60-х годов, где вторичное пьезоэлектрическое взаимодействие в ограниченных пьезоэлектриках учитывалось, оно рассматривалось лишь в виде малой поправки к первичному пьезоэлектрическому взаимодействию. Не рассматривалась также во-змоаность создания на этом физическом принципе акусто-электрических и оптоакустических устройств с динамически управляемыми параметрами.
В настоящей работе показано, что вторичное пьезоэлектрическое взашодействие в ограниченном пьезоэлек-трике при определешьсс условиях может существенно изменять характер пространственного распределения акустического поля как б самом пьезоэлектрике, так и в окружающих его средах* что приводит к целому классу качественно новых эффектов, относительная величина которых иояет значительно превышать величину квадрата коэффициента электромеханичеокой связи.
В радиоэлектронике, гидроакустике и ультразвуковой дефектоскопии в последние годы большой интерес проявляется к аналоговым методам обработки сигналов. Возможность динамического управления акустическими полями является одним из путей создания еовреыьлных аналоговых систем для обработки сигнальной информации. В данной работе рассмотрена новая физическая возможность управляемого формироьачия акустических польй, основанная на (іереиздучении акустических волн за счет вторичного пьезоэлектрического взаимодействия в ограниченном пьезоэлектрике .
В пьезотехншсе в настоящее время применяются новые кристаллические и пьезокерамические материалы с большим коэффициентом электромеханической связи и высокими электрической и механической добротностью, в которых вто-
ричное пьезоэлектрическое взаимодействие проявляется наиболее сильно. В акустоэлектронике и акустооптике также довольно часто встречаются ситуации, когда вторичным пьезоэлектрическим взаимодействием нельзя пренебрегать, например, при реализации условий электроакустического резонанса даже в случае слабых пьезоэлектри-ков.
Актуальность работы связана с тем, что в ней исследуются современные проблемные вопросы пьезоэлектрического взаимодействия в ограниченных твердых телах, решение которых имеет большое практическое значение. В работе с учетом вторичного пьезоэлектрического взаимодействия в ограниченных твердых телах разрабатывается самосогласованная теория колебаний пьезоэлементов пластинчатого, стержневого типов, фоточувствительных пьезополупроводниковых резонаторов, а также низкочастотных пьезоэлементов, выполненных в виде тонкостенных оболочек, мембран и волноводов.
Цель работы. Целью работы являлось теоретическое и экспериментальное исследование вторичного пьезоэлектрического взаимодействия в ограниченных твердых телах. Основное внимание уделялось новый физическим эффектам, обусловленным вторичным пьезоэлектрическим взаимодействием в ограниченных твердых телах, и изучению возмоа-ности их практического испоьзования для управления акустическими полями. Хотя результаты, полученные в диссертации, носят достаточно общий характер, областью нх основных приложений, по замыслу автора, должны стать аку„тоэлектроника и акустооптина.
Научная новизна. На начальном этапе развития теория пьезоэлектрического взаимодействия в ограниченных твердых телах строилась на основе упрощенных моделей, которые постепенно, по мере развития теоретических и экспериментальных исследований и в связи с запросами практики, все более совершенствовались. Данная работа
является естественным продолжением этих исследований, в первую очередь, в направлении предсказания, изучения и экспериментальной проверки новых, ранее не обсуждавшихся эффектов, обусловленных вторичным пьезоэлектрическим взаимодействием в ограниченных твердых телах. Новизна научных положений, выносимых автором на защиту, заключается в следующем.
-
Положено начало новому направлению исследований в акустоэлектронике - изучению управляемого вторичного, пьезоэлектрического взаимодействия в ограниченных твердых телах и его применению для управления акустическими полями. Это направление получило в дальнейшем теоретическое и экспериментальное развитие как у нас в стране, так и за рубежом.
-
Теоретически предсказано и экспериментально подтверждено, что учет вторичного пьезоэлектрического взаимодействия в ограниченном пьезоэлектрике приводит к новому классу эффектов, относительная величина которых может значительно превышать величину квадрата коэффициента электромеханической связи.
-
Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что за счет вторичного пьезоэлектрического взаимодействия плоская ультразвуковая волна при нормальном падении отражается от пластинчатого пьезоэле-мента (продольный пьезоэффект) с резонансной электрической нагрузкой как от абсолютно жесткой стенки и не проходит в среду, находящуюся за пьезоэлементом (аномальное отражение звука от пьезоэлемента с резонансной электрической нагрузкой ) . Теоретически показано, что для определенных классов акустических полей аномальное отражение звука, обусловленное вторичным пьезоэлектрическим взаимодействием, имеет место также для пьезоэле-ментов стержневого, сферического и мембранного типов
(поперечный пьезоэффект ) . Теоретически показано, что для пьезоэдементов, сравни-
мых по размерам с длиной акустической волны в них, аномальное отражение звука сопровождается существенным изменением пространственного распределения акустического и электрического полей в пьезоэлементе.
-
Для пьезоэлементов пластинчатого, стержневого, сферического и мембранного типов с позиции самосогласованного учета вторичного пьезоэлектрического взаимодействия теоретически обоснована принципиальная возможность полного поглощения определенного класса акустических волн и перехода акустической энергии в электрическую. На основе этого эффекта предложены и реализованы экспериментально управляемые пьезоэлектрические поглотители ультразвука.
-
Предсказана, теоретически исследована и экспериментально подтверждена искусственная акустическая анизотропия упругих динамических свойств пластинчатого пьезоэлемента с управляемой электрической нагрузкой, которая на порядок может превышать естественную анизотропию упругих свойств пьезоэлемента. На основе этого эффекта предложен и экспериментально реализован управляемый акустический поляризатор.
-
Предсказано, теоретически исследовано и экспериментально подтверждено вращение плоскости поляризация нормально падающей ультразвуковой волны электрически управляемым пьезоэлементом, обусловленное его искусственной акустической анизотропией. Поворот плоскости поляризации имеет место как для отраженной, так и для прошедшей ультразвуквых волн по отношению к плоскости поляризации падающей ультразвуковой волны.
-
Предсказана и теоретически исследована управля-ї емая трансформация продольных и сдвиговых волн в электрически управляемых пьезоэлементах из кристаллов клас-' са Зт . Теоретически показана принципиальная возможность полной трансформации продольной падающей ультразвуковой волны в отраженную сдвиговую и наоборот.
-
Теоретически исследовано управляемое согласование изотропных акустических сред с помощью пластинчатого пьезоэлемента с реактивной электрической нагрузкой, размещенного между этими средами.
-
Предложен новый принцип генерации ультразвуковых и радиоимпульсов и новый класс акустоэлектрических генераторов, использующих накопление звуковой энергии в управляемом акустическом резонаторе. Рабочий цикл таких генераторов состоит из достаточно длительного времени накачки - Т0 высокодобротного акустического резонатора от маломощного источника радиочастотной энергии и отбора в течение короткого времени - Z0 накопленной в резонаторе энергии с помощью электрически управляемого пьезоэлемента (акустического затвора) в электрическую (радиоимпульс) или акустическую (ультразвуковой импульс) нагрузку. Т0 ~ ааТ0 , Z0 = Ця, где La - длина и Qa - добротность акустического резонатора, a va - скорость звука в акустическом резонаторе.
-
Предложен, теоретически и экспериментально исследован новый способ модуляции звука светом переменной интенсивности, основанный на вторичном пьезоэлектрическом взаимодействии в фоточувствительном пьезополупро-водниковом кристалле. Физическую основу этого способа составляет зависимость звукового поля и акустического импеданса тыльной нагрузки пластинчатого пьезоэлемента, выполненной из фоточувствительного пьезополупроводника, от освещенности. На основании этого способа модуляции звука светом переменной интенсивности предложено несколько новых типов оптически управляемых пьезопреобра-зователей, отличающихся повышенной эффективность по сравнению с известными.
-
Предсказана и теоретически исследована возможность электрического управления за счет вторичного пьезоэлектрического взаимодействия затуханием и дисперсией скорости звука в полом пьезоактивном волноводе, запол-
ненном жидкостью или газом.
-
Предложена физическая модель формирования акустического поля в ограниченном пьезоэлектрике и в окружающих его средах, основанная на переизлучении акустических волн за счет вторичного пьезоэлектрического взаимодействия.
-
Заложены физические основы практического использования вторичного пьезоэлектрического взаимодействия в ограниченных твердых телах для управляемого формирования акустических полей объемных звуковых и ультразвуковых волн.
Из перечисленных результатов наиболее существенными являются приведенные в пунктах 1,2 и 13; пункты 3 -12 всего лишь конкретизируют содержание пунктов I, 2 и 13.
Практическая ценность. С практической точки зрения наиболее важными представляются следующие результаты.
-
Развитая в работе самосогласованная теория колебаний фоточувствительных пьезополупроводннковых резонаторов, пьезоэлементов пластинчатого, стержневого типов, а также низкочастотных пьезоэлементов, выполненных в виде тонкостенных оболочек, мембран и волноводов, позволяет рассчитывать с учетом вторичного пьезоэлектрического взаимодействия достаточно широкий класс электроакустических и акустооптических устройств для радиоэлектроники, ультразвуковой дефектоскопии и гидроакустики. Применение результатов этой теории необходішо и в акустоэлектронике, например, для расчета пьезопреобра-зователей с перестраиваемой рабочей частотой и управляемой широкополосностью, а также управляемых резонаторов, фильтров и генераторов ультразвуковых и радиоимпульсов.
-
Явления аномального отражения, полного поглощения акустических волн и управляемого согласования изотропных акустических сред, самосогласованная теория ео-
торых построена в данной работе, позволяют создавать динамически перестраиваемые электроакустические устройства, такие как управляемые пьезоэлектрические отражатели и поглотители акустических волн, формировать согласующие акустические слои.
-
Предсказанное и изученное в работе явление искусственной акустической анизотропии позволяет создать новые управляемые электроакустические устройства, такие как акустический поляризатор или устройство для взаимной трансформации продольных н сдвиговых волн, которые представляют интерес для акустоэлектроники.
-
Предложенный в работе новый принцип генерации ультразвуковых и радиоимпульсов, использующий пространственно-временное накопление энергии в высокодобротном акустическом резонаторе, позволяет создать новый класс акустоэлектрических генераторов, представляющих интерес для акустоэлектроники и ультразвуковой дефектоскопии.
-
Предложенный и изученный в работе новый способ модуляции объемных ультразвуковых волн светом переменной интенсивности позволяет создать оптически управляемые пьезопреобразователи (излучатели и приемники) , которые могут использоваться для преобразования оптической информации в акустическую, перемножения оптических с электрическими или акустическими сигналами и их гетеродинирования. Перечисленные операции представляют интерес для акустооптики.
-
Предсказанное и исследованное в работе явление электрического управления за счет вторичного пьезоэлектрического взаимодействия затуханием и дисперсией скорости звука в полом пьезоактивном волноводе, заполненном жидкостью или газом, открывает новые возможности для разработки управляемых поглотителей ультразвука, а также перестраиваемых фильтров и управляемых линий задержки в физической акустике.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на 4,5,7,8,9,10 и II Всесоюзных конференциях и совещаниях по квантовой акустике и акустоэлектронике(Ашхабад-1969г., Новосибирск- 1970г., Харьков-1972г., Казань-1974г., Менделеево, Московской обл.-1976г., Ташкент-1978г., Душанбе-1981г.), на 7 и 8 Всесоюзных Акустических конференциях (Ленинград-1971г., Москва-1973г.) , на 7 Всесоюзной научно-технической конференции по микроэлектронике (Львов-1975г.) , на сессии научного Совета АН СССР по проблеме "Ультразвук" (Москва-1980г.) , на научных семинарах в организациях (МГУ-І975г., ЛГУ-І980Г, ИРЭ АН СССР г. рязино-1984г., И0 АН СССР-1985г.) , а также на научных семинарах Акустического института им. академика Н.Н.Андреева.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературы. Диссертация содержит 258 страниц, включающих 34 рисунка, 2 таблицы и список литературы из 342 работ.
Личный вклад автора. Все полученные в диссертации результаты принадлежат лично автору. Из 28 опубликованных по теме диссертации работ только одна выполнена в соавторстве.
