Способ и устройство для усиления ультразвуковой волны

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УСИЛЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ВОЛНЫ(71) Заявитель Учреждение образования Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины(72) Авторы Семченко Игорь Валентинович Хахомов Сергей Анатольевич(73) Патентообладатель Учреждение образования Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины(57) 1. Способ усиления ультразвуковой волны, заключающийся в воздействии вращающегося электрического поля, поперечного направлению распространения ультразвуковой волны, на неполяризованную сегнетокерамику с аномально высоким значением диэлектрической проницаемости при распространении в ней акустической волны, отличающийся тем, что частоту вращенияи напряженность вращающегося электрического поля 0 устанавливают в соответствии с выражениями 0,где 0 - частота ультразвуковой волны 0 Епор,при этом пороговое значение напряженности вращающегося электрического поляпор 9476 1 2007.06.30 где 44 - компонента тензора вязкости,144, 155 - компоненты тензора, учитывающие электрострикционное воздействие поля Е на упругие постоянные среды,144, 155 - компоненты тензора, учитывающие электрострикционное воздействие поля Е на вязкость среды. 2. Устройство для усиления ультразвуковой волны, содержащее управляемый звукопровод, выполненный из неполяризованной сегнетокерамики с аномально высоким значением диэлектрической проницаемости, на параллельных оси гранях которого размещены друг напротив друга электрически изолированные две пары плоских электродов, а на перпендикулярной оси звукопровода грани размещен преобразователь сдвиговой волны, причем секущие плоскости, проходящие через концы электродов, ограничивают прямоугольный параллелепипед, перпендикулярные оси звукопровода грани которого имеют форму квадрата, фазовращатель со сдвигом фазы на /2, генератор переменного электрического напряжения ультразвуковой частоты, выход которого соединен со входом фазовращателя и с первой парой электродов, а выход фазовращателя соединен со второй парой электродов, отличающееся тем, что управляемый звукопровод выполнен длиной , соответствующей расчетной формуле(122 ) 1 (0)2 (0) ,где 1, 2 - аргументы комплексных эллиптичностей, - параметр, принимающий значения из множества целых чисел,1, 2 - волновые числа собственных мод акустического поля,0 - частота ультразвуковой волны, - частота вращения электрического поля. Изобретение относится к акустике и ультразвуковой технике и может быть использовано при создании управляемых устройств в акустоэлектронике. Известны способ и устройство для усиления ультразвука в полупроводниках дрейфом носителей заряда, выполненное в виде преобразователя сдвиговой волны, размещенного на входной торцовой грани управляемого звукопровода, соединенного с активным кристаллом, обладающим хорошими пьезоэлектрическими свойствами и фотопроводимостью, на торцовые грани которого нанесены металлические электроды, и подверженного действию осветителя 1. Проходящая по кристаллу ультразвуковая волна усиливается, если скорость дрейфа носителей заряда в направлении распространения волны превышает ее фазовую скорость. Динамический диапазон усилителя ограничен уровнем шумов и нелинейными эффектами. Для создания оптимальной проводимости кристалла необходим подбор интенсивности и спектрального состава света от осветителя. Для предотвращения разрушения кристалла из-за перегрева постоянным током применяется импульсный режим работы усилителя. Однако импульсный режим работы, необходимость подбора освещения ограничивают возможные применения усилителей 1. Согласно изобретению, предлагается способ и устройство для усиления ультразвуковой волны. Технический результат, достигаемый при этом, выражается в возможности увеличения интенсивности прошедшей через звукопровод ультразвуковой волны относительно интенсивности падающей волны. Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что в способе усиления ультразвуковой волны, заключающемся в воздействии вращающегося электрического поля, поперечного направлению распространения ультразвуковой волны, на неполяризованную сегнетокерамику с аномально высоким значением диэлектрической про 2 9476 1 2007.06.30 ницаемости при распространении в ней акустической волны, частоту вращения и напряженность вращающегося электрического поля Е 0 устанавливают в соответствии с выражениями(1)0,где 0 - частота ультразвуковой волны 0 пор,(2) при этом пороговое значение напряженности вращающегося электрического поляпор где 44 - компонента тензора вязкости,144, 155 - компоненты тензора, учитывающие электрострикционное воздействие поля Е на упругие постоянные среды,144, 155 - компоненты тензора, учитывающие электрострикционное воздействие поля Е на вязкость среды. Заявляемый способ реализуется с помощью устройства для усиления ультразвуковой волны. Достижение указанного технического результата достигается тем, что в устройстве для усиления ультразвуковой волны, содержащем управляемый звукопровод, выполненный из неполяризованной сегнетокерамики с аномально высоким значением диэлектрической проницаемости, на параллельных оси гранях которого размещены друг напротив друга электрически изолированные две пары плоских электродов, а на перпендикулярной оси звукопровода грани размещен преобразователь сдвиговой волны, причем секущие плоскости, проходящие через концы электродов, ограничивают прямоугольный параллелепипед, перпендикулярные оси звукопровода грани которого имеют форму квадрата, фазовращатель со сдвигом фазы на /2, генератор переменного электрического напряжения ультразвуковой частоты, выход которого соединен с входом фазовращателя и с первой парой электродов, а выход фазовращателя соединен с второй парой электродов, управляемый звукопровод выполнен с длиной , соответствующей расчетной формуле(122 ) 1 (0)2 (0) ,(4) где 1, 2 - аргументы комплексных эллиптичностей, - параметр, принимающий значения из множества целых чисел,1, 2 - волновые числа собственных мод акустического поля,0 - частота ультразвуковой волны, - частота вращения электрического поля. В основу заявляемого способа положено явление подавления поглощения ультразвуковой волны. Суть явления в том, что в результате интерференции падающей акустической волны и обращенной акустической волны, генерируемой в сегнетокерамике вращающимся электрическим полем, образуется стоячая ультразвуковая волна, по отношению к которой вязкие свойства среды проявляются очень слабо. Вследствие такого подавления поглощения ультразвука имеет место гигантское усиление прошедшей и обращенной акустических волн как результат высокоэффективной передачи энергии вращающегося электрического поля ультразвуку. Рассмотрим распространение сдвиговой упругой волны вдоль осив электрическом поле с амплитудой Е 0 и компонентами(5) ЕхЕ 0, ЕуЕ 0,0,вращающемся с частотойвокруг оси . Такое поле может быть создано путем подачи электрического потенциала со сдвигом фазы на систему параллельных металлических электродов, расположенных на поверхности керамики. При этом сдвиг фазы определяется 3 9476 1 2007.06.30 числом электродов и для случая двух пар электродов составляет /2. Акустические свойства керамики можно описать с помощью обобщенного закона Гука 2, учитывающего вязкость среды Здесь ,и- тензоры напряжений, деформаций и упругих постоянных- тензор вязкости. Воздействие вращающегося электрического поля (3) может привести к существенному изменению акустических свойств кристалла, в результате чего распространение упругой волны с вектором смещениябудет описываться уравнением движения 2 22 Здесь- плотность среды, тензоры упругих постоянныхи вязкостиучитывают нестационарное воздействие внешнего электрического поля (3) и имеют следующий вид 00, . В выражениях (8) использованы обозначения 4 2 244(155144 ) 0 / 2,(155144 ) 0 / 2,2 244(155144 ) 0 / 2,(155144 ) 0 / 2,и- тензоры, учитывающие электрострикционное воздействие поля Е на упругие постоянные и вязкость среды,.0- матрица поворота вокруг осина угол 5, тильдаозначает транспонирование,с - антисимметричный тензор, дуальный вектору с. Используя методику, предложенную в 6, 7, решения уравнения движения (7) будем искать в виде связанных между собой плоских монохроматических волн(10)(-),имеющих одинаковые волновые числа , различные частотыи противоположные циркулярные поляризации, задаваемые векторами / 2 , где а и- орты лабораторной декартовой системы координат. Подставляя выражение (10) в уравнение (7) и учитывая явный вид тензоров (8), получаем следующую систему линейных однородных уравнений 2220. Приравнивая нулю определитель системы (11), находим волновые числа 1, 2 2(1 21 2 ) 3,4-2,1 и отношения амплитуд циркулярных компонент 4 1, 2 1 собственных мод (3, 11) акустического поля. В выражениях (12), (13) использованы следующие обозначения 11 , 11, 1,22 , 22, 2. Величиныхарактеризуют коэффициент связи между циркулярными волнами, образующими собственную моду акустического поля. В дальнейшем для краткости будем называть величиныэллиптичностями собственных акустических мод. Основанием для использования такого термина является то обстоятельство, что величиныдействительно равны эллиптичностям собственных волн акустического поля, если рассматривать эти волны во вращающейся системе координат. В такой системе координат, сопровождающей внешнее электрическое поле, собственные акустические моды (10) представляют собой плоские монохроматические волны с частотой , волновым числоми эллиптичностью . Переходя во вращающуюся систему координат, сопровождающую поворот внешнего электрического поля (5), и подставляя преобразованное для этой системы выражение (10) в уравнение (7), учитывая, что во вращающейся системе координат, в отличие от лабораторной, тензоры упругих постоянных и вязкости среды (8) не зависят от времени, что позволяет искать решения уравнения движения в виде плоских монохроматических волн(14)0-,с частотойи волновым числомполучаем систему алгебраических линейных уравнений для компонент вектора смещенияупругой волны во вращающейся системе координат. Приравнивая нулю определитель полученной системы, находим выражения для волновых чисел собственных мод акустического поля 2Вращающееся электрическое поле может привести к значительному изменению акустических свойств кристалла с аномально высокой диэлектрической проницаемостью. Как следует из выражения (15), при возрастании анизотропии тензора упругих постоянныхи анизотропии тензора вязкости , индуцированных электрическим полем, мнимые части волновых чисел монотонно убывают до нуля. Начиная с пороговых значений параметрови , определяемых условием 2(16) 22 22 ,волновые числа (15) становятся действительными и собственные моды акустического поля перестают затухать в кристалле. В соответствии с условием (16) пороговое значение напряженности вращающегося электрического поля выражается через параметры кристалла следующим образом 2 2 2 44(155144 )2 (155144 )(155144 )(155144 )4 155144 Если частота ультразвука 0 отличается от частоты электрического поля , то волновые числа (15) являются комплексными независимо от напряженности электрического поля. Как показывают численные оценки, при следующих значениях параметров, характерных для керамик на основе титаната бария с аномально высокой диэлектрической проницаемостью 8-10 2 9476 1 2007.06.301012 дин/см 2,-4,4651010 дин/см 2,1000 ед. СГС,50 ед. СГС,5,7 г/см 3,107 рад/с,выполнение порогового условия (16) достигается при напряженности электрического поля порядка нескольких кВ/см. Частотный диапазон работы устройства определяется параметрами керамик на основе титаната бария, выполнением условия (16) и геометрическими размерами звукопровода. Решение граничной задачи позволяет определить коэффициент прохождения 2 Если длину звукопровода изготовить в соответствии с равенством(1-22)/1(0-)-2(0-),где 1 и 2 - аргументы комплексных эллиптичностей 1(0-) и 2(0-) (13), параметрпринимает значения из множества целых чисел, то нормированная интенсивность прошедшей волны для вышеуказанных параметров может принимать гигантские значения порядка 104-106 11 (табл. 1). Таблица 1 Длина звукопровода Значение нормированной Частота волны 0, частота вра интенсивности прошедшей щающегося электрического поляволны Т Такое гигантское усиление ультразвука является следствием подавления поглощения акустических волн во вращающемся электрическом поле и результатом интерференции собственных мод акустического поля. Управление усилением можно также осуществлять путем отклонения частоты вращающегося электрического поляот частоты волны 0 (0) (табл. 2). Таблица 2 Частота волны 0, 107 рад/с Частота вращающе- Длина звукопро- Значение нормированной гося электрического вода , см интенсивности прошед 7 шей волны Т поля , 10 рад/с 1,000 3,5 0,51656105 1,000 3,5 0,34983103 1,000 3,5 0,11251103 1,000 3,5 0,53171102 1,000 3,5 0,30712102 1,000 3,5 0,19995102 1,000 3,5 0,14088102 1,000 3,5 0,10499102 1,000 3,5 0,81597101 1,000 3,5 0,65530101 Таким образом, способ усиления ультразвуковых волн обладает тремя степенями управления условия регулировки усиления могут изменяться за счет совместного изменения частоты падающей волны 0 и частоты вращающегося электрического поля(0), за счет отклонения частоты вращающегося электрического поляот частоты волны 0 (0), за счет изменения длины звукопровода . На фиг. 1 изображена электрическая схема устройства, на фиг. 2 - его акустоэлектрический узел (вид спереди), на фиг. 3 - акустоэлектрический узел устройства и пластинка из ниобата лития (вид сбоку). Устройство для усиления ультразвуковой волны содержит акустоэлектрический узел 1, фазовращатель со сдвигом фазы 2, генератор переменного электрического напряжения ультразвуковой частоты 3, причем выход 3 соединен со входом фазовращателя 2 первым входом акустоэлектрического узла, а выход фазовращателя 2 соединен со вторым входом акустоэлектрического узла. Акустоэлектрический узел 1 выполнен в виде управляемого звукопровода 4, изготовленного из неполяризованной сегнетокерамики с аномально высоким значением диэлектрической проницаемости и имеющего форму прямоугольного параллелепипеда, на параллельных противоположных оси звукопровода гранях которого установлены напротив друг друга плоские электроды 5, 6, образующие соответственно первую и вторую пары электродов. При этом электроды 5, 6 электрически изолированы друг от друга и размещены на гранях в виде прямоугольных пластин таким образом, что образуют с секущими плоскостями, проходящими через их концы, прямоугольный параллелепипед, перпендикулярные оси звукопровода грани которого имеют форму квадрата. На фиг. 2 квадрат ограничен пунктиром. На торцовой перпендикулярной оси грани звукопровода размещен преобразователь сдвиговой волны 7. На противоположной торцовой перпендикулярной оси грани звукопровода размещена плоскопараллельная пластинка из ниобата лития 8. Первая пара электродов 5 подсоединена через первый вход акустоэлектрического узла к выходу генератора 3, а вторая пара электродов 6 подсоединена через второй вход узла 1 к выходу фазовращателя 2. Соединение пар электродов 5, 6 с генератором 3 и фазовращателем 2 осуществлено посредством коаксиальных кабелей, причем центральный проводник каждого кабеля соединен с одним электродом пары, а экранирующий со вторым. Указанное взаимное расположение пар электродов 5, 6 на звукопроводе 4 и подсоединения их к фазовращателю 2 и генератору 3 обеспечивают при работе устройства постоянство амплитуд и постоянство сдвига фаз подаваемых на электроды электрических напряжений. Устройство работает следующим образом. Преобразователь 7 возбуждает сдвиговые линейно поляризованные с определенной ориентацией ультразвуковые волны с частотой 0 и направляет их в виде пучка в управляемый звукопровод 2 параллельно его оси. С помощью генератора переменного электрического напряжения 3 и фазовращателя 2 подают на пластины 5, 6 переменное электрическое напряжение, причем электрическое напряже 7 9476 1 2007.06.30 ние, подаваемое на первую пару плоских электродов 5, отличается по фазе на /2 от напряжения, подаваемого на вторую пару плоских электродов 6 от фазовращателя 2. При этом в результате суперпозиции однородных взаимно перпендикулярных электрических полей, изменяющихся во времени по гармоническому закону с относительным сдвигом фаз /2, внутри звукопровода 4 возникает вращающееся вокруг оси звукопровода 4 электрическое поле, вектор напряженности которого вращается с течением времени вокруг оси звукопровода 4 с частотой . Частотапредварительно устанавливается на генераторе переменного электрического напряжения 3, так же как и амплитуда переменного электрического напряжения. Вращающееся электрическое поле из-за эффекта электрострикции оказывает влияние на акустические свойства неполяризованной сегнетокерамики. Линейно поляризованную волну можно представить как сумму двух циркулярнополяризованных, имеющих одинаковую амплитуду смещения и противоположные направления вращения. Циркулярная составляющая УЗ-волны, которая совпадает с внешним электрическим полем по направлению вращения и по частоте, испытывает резонансное воздействие электрического поля. Резонансное взаимодействие ультразвука с вращающимся электрическим полем для волны с противоположной циркулярной поляризацией не имеет места ни при каких частотах. В результате УЗ-волна на выходе из зоны действия вращающегося электрического поля, то есть на выходной грани управляемого звукопровода 4, является эллиптически поляризованной. Для преобразования эллиптически поляризованной УЗ-волны в линейно поляризованную используется плоскопараллельная пластинка из ниобата лития 8, аналогично способу, предложенному в 12. Изменение амплитуды переменного электрического напряжения, задаваемого генератором 3, пропорционально изменяет величину , определяющую изменение модуля упругости неполяризованной сегнетокерамики под действием электрического поля с напряженностью Е 0. Источники информации 1. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Гл. ред. И.П. Голямина. - М. Советская энциклопедия, 1979. - С. 355-360. 2. Гуревич В.Я. Кинетика фононных систем. - М., 1980. - 400 с. 3. Белый В.Н., Севрук Б.Б. Управление поляризацией упругих волн электрическим полем, создающим спиральную анизотропию // Акустический журнал. - 1983. - Т. 29. - 2. С. 157-161. 4. Белый В.Н., Севрук Б.Б. Параметрическое взаимодействие циркулярно поляризованных электромагнитных и акустических волн в кристаллах с электрострикционной нелинейностью. Сб. Ковариантные методы в теоретической физике. - Мн., 1986. - С. 132-141. 5. Федоров Ф.И. Теория гиротропии. - Мн. Наука и техника, 1976. - 456 с. 6. Семченко И.В., Сердюков А.Н. Распространение света в среде с вращающейся холестерической структурой анизотропии // Журнал прикладной спектроскопии. - 1984. Т. 41. -5. - С. 827-830. 7. Белый В.Н., Севрук Б.Б. Параметрические электроакустические эффекты в кристаллах с индуцированной внешним электрическим полем, вращающейся акустической анизотропией // Журнал технической физики. - 1987. - Т. 57. -2. - С.336-340. 8. Пекар С.И., Демиденко А.А., Здебский А.П. и др. Исследование электрострикционных констант первого и второго порядка в веществах с большой диэлектрической проницаемостью / Докл. АН СССР. Сер. физ. - 1976. - Т. 230. -5. - С. 1089-1091. 9. Жабитенко Н.К., Кучеров И.Я. Исследование влияния электрического поля на скорость распространения упругих волн в изотропных твердых телах // Украинский физический журнал. - 1978. - Т.23. -2. - С. 263-266. 8 9476 1 2007.06.30 10. Рыбянец А.Н., Турик А.В., Дорохова Н.В., Мирошниченко Е.С. Влияние постоянного электрического поля на распространение поверхностных акустических волн в пьезокерамике системы ЦТС // Журнал технической физики. - 1986. - Т. 56. -12. - С. 23712375. 11. Семченко И.В., Хахомов С.А. Объемные акустические волны в кристаллах во вращающемся электрическом поле. - Мн. Беларуская навука, 1998. - 150 с. 12. А.с. СССР 1278038, МПК В 06 В 1/06, 1986. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.