Устройство управления динамическими неоднородностями

В акустоэлектронике существует насколько способов управления прохождением динамических неоднородностей. Это, прежде всего, определяется типом динамических неоднородностей, функциональным назначением прибора или устройства.

Так, если используется только IIAB, распространение которой происходит в тонком приповерхностном слое, то можно эффективно использовать для управления такие общие свойства волн, как интерференцию, дифракцию, отражение, преломление, переизлучение, фокусирование, а также управление этими эффектами. Можно варьировать также параметры звукопровода, изменяя такие характеристики процесса распределения, как скорость ПАВ, дисперсию, удельное затухание и т. п.

Наиболее распространенным методом является управление акустическим трактом путем изменения топологии его элементов. Эти элементы позволяют сформировать каналы распространения ПАВ.

К таким элементам относится многополосковый ответвитель (МПО), который конструктивно выполняется в виде системы пленочных металлических электродов, нанесенных на подложку. В зависимости от назначения устройства управления топология МПО имеет различную форму и способна переизлучать энергию в любой из каналов, формировать эти каналы. При выполнении условия синхронизма λ =d МПО ведет себя как отражательная структура, и рабочий диапазон выбирается в пределах 0, 4–0, 9 центральной частоты f₀. Число электродов, необходимых для эффективной перекачки энергии из канала, определяется соотношением:

,

а общая длина МПО равна

На рис. 2.7 приведены некоторые примеры использования МПО в звуковом канале. С помощью МПО можно переизлучать энергию из одного канала в другой (рис. 2.1.а), раздваивать акустический канал (рис. 2.7.б), разворачивать волновой фронт в обратном направлении (рис. 2.7.в).

Рис. 2.7 – Некоторые операции в тракте, осуществляемые МПО:

а - акустическая связь между двумя независимыми звукопроводами;

б - раздвоение канала; в - обращение акустической волны

В качестве элементов акустического тракта можно использовать периодические неоднородности на поверхности звукопровода в виде пазов, выступов металлических или диэлектрических полосок, а также комбинации этих структур (рис. 2.8).

Рис. 2.8 – Отражательные структуры: а, б – топографические неоднородности; в - металлические или диэлектрические полости; г - комбинированные структуры

Разработаны методы локализации (каналирования) волны в топографическом волноводе (рис. 2.9.а, б). Подчас это связано с необходимостью увеличить протяженность тракта, обеспечить максимальное время задержки. Помимо топографических волноводов для локализации акустической волны можно применять и плоские Слоистые волноводы (рис.2.9.в). Слоистые волноводы изготовляют путем нанесения вещества, скорость ПАВ в которых отлична от скорости в звукопроводе. Степень локализации волны зависит от соотношения скорости ПАВ в звукопроводе и в слое нанесенного вещества.

Рис. 2.9 – Акустические волноводы: топографические волноводы треугольной (а) и прямоугольной (б) формы, слоистый волновод с нанесенным звукопроводом (в) и щелевой волновод (г)

Разработаны конструкции МПО с динамически управляемой конфигурацией электродов, в которых под воздействием локального излучения создаются области повышенной проводимости.

Другим путем эффективного управления прохождением динамических неоднородностей является изменение граничных условий распространения ПАВ. К граничным условиям будем относить большое число физических параметров, характеризующих среду распространения волн вдоль границы твердого тела, и параметры, отражающие структуру звукопровода. Этот метод управления базируется на локальном изменении свойств среды, что весьма эффективно с энергетической точки зрения.

Например, если покрыть поверхность звукопровода тонким слоем селенида кадмия, удельное сопротивление которого зависит от уровня освещенности, то можно менять мнимую часть акустического импеданса. В этом случае появляется возможность изменять амплитуду ПАВ в достаточно широком диапазоне значений.

Однако заметим, что методу управления удельной проводимостью поверхностного слоя присущи недостатки, связанные с большим энергопотреблением, громоздкостью проекционных систем.

Если же использовать магниточувствительные пленки, нанесенные на поверхность звукопровода, то изменять упругие свойства пленки, а также акустический импеданс звукопровода становится проще. Возникающие магнитоупругие поверхностные волны обладают рядом специфических свойств. В частности, их разовая скорость зависит от ориентации вектора управляющего магнитного поля, что позволяет эффективно управлять скоростью распространения в пределах 20%.

Третий метод управления свойствами звукопровода основывается на целенаправленном изменении электрофизических свойств материала звукопровода. Возможность управления свойствами материала может быть реализована за счет термодинамической взаимосвязи тепловых, электрических, магнитных и упругих параметров среды. Управление в этом случае осуществляется с помощью полей различной физической природы.

В некоторых конструкциях приборов используется линейная зависимость между деформацией звукопровода и скоростью распространения ПАВ. Изменение скорости распространения ПАВ также линейно зависит от температуры и аналитически записывается в виде: Δ l/l=Δ V₀/V₀–β Δ t, где β – температурный коэффициент расширения, Δ t - температурный интервал. Этот метод отличается простотой, отсутствием дополнительных потерь, позволяет эффективно использовать материалы с большим коэффициентом электромеханической связи.

Управление скоростью распространения ПАВ можно осуществлять, используя эффект электроупругого взаимодействия. С этой целью звукопровод помещается в электрическое поле с напряженностью ~10³ В/см. Однако использование высоковольтного источника напряжения сопряжено с известными трудностями.

Скоростью распространения ПАВ можно также управлять, используя термоупругий эффект. Его применение позволяет изменять упругие константы материала в тепловых полях. Однако большая инерционность тепловых процессов ограничивает использование этого метода управления.