Вторичное пьезоэлектрическое взаимодействие в ограниченных твердых телах и управление акустическими полями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.06 ВАК РФ

¿г??

АКАДЕМИЯ НАУК СССР

Акустический институт имени академика Н.Н.Андреева

ГЩЕНКО ЕВГЕНИЙ КОНСТАНТИНОВИЧ

уда 534.232

ВТОРИЧНОЕ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ В ОГРАНИЧЕННЫХ ТВЕРДО ТЕЛАХ И УПРАВЛЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИМИ ПОЛЯМИ

Специальность 01.04.06 - акустика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

На правах рукописи

Москва - 1989

Работа выполнена в Акустическом институте имени академика Н.Н.Андреева

Официальные оппоненты: академик АН СССР,

профессор, доктор физ.-мат.наук Ю.В.Гуляев /ИРЭ АН СССР/ доцент, доктор физ.-мат.наук В.Н.Парыгин /МГУ, г.Москва/ профессор, доктор физ.-мат.наук В.В.Тютекин /АКИН, г.Москва/ Ведущая организация: Киевский Государственный

университет им. Т.Г.Шевченко

Защита состоится "_и_19 г. в_ часов

на заседании Специализированного совета Д.130.02.01 при Акустическом институте имени академика Н.Н.Андреева по адресу: Москва, ул.Гримау, д.8, в помещении школы № 45. /

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Акустического института имени академика Н.Н.Андреева /117036 Москва, ул.Шверника, д.4/.

Автореферат разослан "_"_ 19 г.

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат физ.-мат.

В.Музьгаенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 - анусто-электронике и акустооптике.

Следует, однако, отметить, что решение задач, включающих пьезоэлектрическое взаимодействие, в той числе на ранних стадиях развития в акустоэлектрокике 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-эяектрике не монет 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-элентрических и оптоакустических устройств с динамически управляемыми параметрами.

В настоящей работе показано, что вторичное пьезоэлектрическое взаимодействие в ограниченном пьезоэлек-трике при определение условиях может существенно изменять характер пространственного распределения афотического поля как б самом пьезоэлектрике, так и в окружающих его средах, что приводит к целому классу качественно новых эффектов, относительная величина которых иохет значительно превышать величину квадрата коэффициента электромеханической 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 совреыьлшх аналоговых систем для обработки сигнальной информации. В данной работе рассмотрена новая физическая возможность управляемого формирования акустических псдьй, основанная на переизлучении акустических волн за счет вторичного пьезоэлектрического взаимодействия в ограниченном пьезоэлектрике .

В пьезотехнике 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 анустооптике 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, стераневого 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 новым 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, долдны стать аку„тоэлектроника и акустооптика.

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.

1. 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.

2. 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.

3. 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 пьезоэлементов, сравни-

мых по размерам с длиной акустической волны в них, аномальное отражение звука сопровождается существенным изменением пространственного распределения акустического и электрического полей в пьезоэлементе.

4. 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.

5. Предсказана, теоретически исследована и экспериментально подтверадена 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.

6. 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.

7. Предсказана и теоретически исследована управляв емая трансформация продольных и сдвиговых волн в электрически управляемых пьезоэлементах из кристаллов илас-оа Зт . Теоретически показана принципиальная возможность полной трансформации продольной падающей ультразвуковой волны в отраженную сдвиговую и наоборот.

8. Теоретически исследовано управляемое согласование изотропных акустических сред с помощью пластинчатого пьезоэлемента с реактивной электрической нагрузкой, размещенного между этими средами.

9. 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 - Та высокодобротного акустического резонатора от маломощного источника радиочастотной энергии и отбора в течение короткого времени - 10 накопленной в резонаторе энергии с помощью электрически управляемого пьезоэлемента (акустического затвора) в электрическую Срадиоимпульс ) или акустическую (ультразвуковой импульс) нагрузку. Т0 ~ ааТ0 , Т0 = где ¿в - длина и ¿?а - добротность акустического резонатора, а 1га - скорость звука в акустическом резонаторе.

10. 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.

11. 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.

12. Предложена физическая модель формирования акустического поля в ограниченном пьезоэлектрике и в окружающих его средах, основанная на переизлучении акустических волн за счет вторичного пьезоэлектрического взаимодействия.

13. 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.

1. Развитая в работе самосогласованная теория колебаний фоточувствительных пьезополупроводннковых резонаторов, пьезоэлементов пластинчатого, стержневого типов, а также низкочастотных пьезоэлементов, выполненных в веде 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 необходимо 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.

2. Явления аномального отражения, полного поглощения акустических волн н управляемого согласования изотропных акустических сред, самосогласованная теория ео-

торых построена в даннсй работе, позволяют создавать динамически перестраиваемые электроакустические устройства, такие как управляемые пьезоэлектрические отражатели и поглотители акустических волн, формировать согласующие акустические слои.

3. 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 и сдвиговых волн, которые представляют интерес для акустоэлектроники.

4. 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.

5. 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 оптичес-еих с электрическими или акустическими сигналами и их гетеродинирования. Перечисленные операции представляют интерес для акустооптики.

6. 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" СМосква-1980г.) , на научных семинарах в организациях (М1У-1975г., ЛГУ-1980г, ИРЭ АН СССР г. Фрязино-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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована ее цель, кратко изложено содержание разделов диссертационной работы и основные ее результаты.

Глава I. Пьезоэлектрическое взаимодействие в твердых телах.

Глава имеет обзорный характер. Основная цель главы - по возможности разгрузить последующее изложение от материала обзорного характера. В ней проанализирована ситуация, сложившаяся в изучении линейного пьезоэлек-

трического взаимодействия к моменту начала данной работы. Рассмотрены особенности различных теоретических моделей и методов расчета линейного пьезоэлектрического взаимодействия в твердых телах. Показана недостаточность известных результатов и ограниченность традиционных методов, например, метода заданного поля, для корректного учета вторичного пьезоэлектрического взаимодействия в ограниченных пьезоэлектриках. Рассмотрена используемая в данной диссертационной работе физическая модель для изучения вторичного пьезоэлектрического взаимодействия. Ее суть заключается в том, что влияние вторичного пьезоэлектрического взаимодействия на электрическое и акустическое поля ограниченного пьезоэлек-трика не предполагается малым, а волновое решение граничной задачи ищется в самосогласованном виде.

Глава 2. Электрически управляемые пьезоэлементы пластинчатого типа.

Цель рассмотрения, проведенного в данной главе, заключается в том, чтобы выяснить роль вторичного пьезоэлектрического взаимодействия в процессе формирования тех или иных характеристик пьезоэлемента пластинчатого типа и изучить возможность управления акустическими полями как внутри пьезоэлемента, так и в окружающих его средах. Рассмотрены аномальное отражение и полное поглощение ультразвука пьезоэлементом с электрической нагрузкой, управляемое согласование акустических сред. Исследована искусственная акустическая анизотропия пьезоэлемента и обусловленные ей вращение плоскости поляризации акустических волн и взаимная трансформация продольных и сдвиговых волн.

В разделе 2.1 рассматриваются физические различия в оценке параметров пьезопреобразователей пластинчатого типа методами заданного и самосогласованного полей. Основное внимание уделяется изучению влияния вторичного

пьезоэлектрического взаимодействия в ограниченном пье-зоэлектрике на процесс формирования характеристик пье-зоэлемента в режимах излучения и приема. Рассмотрены частотные характеристики чувствительности, электрического и акустического импедансов, коэффициентов отражения и прохождения акустических волн для пластинчатого пьезоэлемента, произвольно нагруженного на электрической и акустической сторонах. Показано, что вторичное пьезоэлектрическое взаимодействие в ограниченном пьезо-электрике проявляется в виде дополнительных по отношению к первоначально заданным полям постоянных по координате и переменных по времени составляющих электрического поля и поля механических напряжений, пропорциональных общей относительной деформации пьезоэлемента по толщине. Эти дополнительные составляющие электрического и акустического полей не учитываются в приближении заданного поля. В режиме излучения дополнительные члены пропорциональны коэффициенту электромеханической связи - Л (для электрического поля) или Л2 (для механического напряжения) и могут рассматриваться как поправка при Лг« I. В режиме приема в дополнительные члены кроме Л сомножителем входит параметр электрической нагрузки пьезоэлемента, например ее электрическая добротность О. , что коренным образом меняет ситуацию, поскольку соотношение У^О. ~ I может реализоваться и при 7£2«1, если О. достаточно велико. Наличие дополнительных составляющих электрического поля и поля механических напряжений приводит к переизлучению акустических волн в окружающие пьезоэлектрик среда и обусловливает появление новых эффектов за счет вторичного пьезоэлектрического взаимодействия в ограниченном пьезоэлектрике.

В работе показано, что "неравноправие" режимов излучения и приема, которое проявляется лишь с учетом вторичного пьезоэлектрического взаимодействия в ограниченных пьезоэлектринах, обусловлено большой разницей

скоростей в них акустических и электромагнитных волн.

В разделе 2.2 более подробно рассмотрены акустические и электрические поля в пьезоэлементе в режимах излучения и приема. В рамках модели плоских волн изучено влияние вторичного пьезоэлектрического взаимодействия на процесс формирования полей пьезоэлемента при произвольных электрической и акустической нагрузках. Для трактовки полученных результатов предложена физическая модель формирования акустического поля, в которой решающая роль принадлежит переизлучению пьезоэлементом акустических волн за счет вторичного пьезоэлектрического взаимодействия. На основании полученных результатов показана возможность оптимизации эффективности работы пьезоэлемента в режимах излучения и приема с учетом вторичного пьезоэлектрического взаимодействия в ограниченном пьезоэлектрике. Например, в режиме излучения существует оптимальное соотношение между величиной акустической нагрузки полуволнового пьезоэлемента и его коэффициентом электромеханической связи, для которых достигается максимум излучаемой акустической мощности при фиксированном электрическом напряжении на пьезоэлементе. Для режима приема условие оптимального преобразования акустической энергии в электрическую совпадает с условием отсутствия отраженной акустической волны от пьезоэлемента.

Из результатов, полученных в разделах 2.1 и 2.2, следует принципиальная возможность управления за счет вторичного пьезоэлектрического взаимодействия электрическим и акустическим полями пьезоэлемента, а следовательно и его пространственным спектром собственных частот колебаний. Наиболее просто такое управление может быть реализовано в режиме приема с помощью внешней электрической нагрузки пьезоэлемента.

В разделе 2.3 рассмотрены аномальное отражение акустических волн от пьезоэлемента с резонансной элек-

трической нагрузкой и полное поглощение пьезоэлементом падающих на него акустических волн, которые тлеют принципиальное значение для реализации возможности управляемого согласования пьезоэлемента с рабочей средой.

Пусть на пластинчатый пьезоэлемент нормально падает плоская акустическая волна. В простейшем варианте электрически ненагруженного пьезоэлемента полуволновой толщины коэффициенты отражения и прохождения акустических: волн определяются формулами Френеля. Если электрическая нагрузка пьезоэлемента выбрана резонансной, т.е. индуктивность электрической нагрузки компенсирует статическую емкость пьезоэлемента на его антирезонансной частоте, то за счет вторичного пьезоэлектрического взаимодействия часть запасенной пьезоэлементом электрической энергии будет переизлучаться в нагругаязщие его среды в виде вторичных акустичесних волн. Запасенная электрическая энергия переизлучается тем полнее, чем больше О. . При ¡2 »I возможна ситуация, когда за счет интерференции первоначального и переизлученного акустических полей прошедшая через пьезоэлемент первичная акустическая волна почти полностью гасится, а первичная отраженная от пьезоэлемента волна усиливается переизлученной. В этом случае коэффициент отражения по смещению ~ -I, а коэффициент прохождения ~ 0, и пьезоэлемент ведет себя как абсолютно жесткая стенка. Это и есть аномальное отражение акустических волн от пьезоэлемента с резонансной электрической нагрузкой.

В работе показано, что в режиме аномального отражения лицевая и тыльная плоскости пьезоэлемента покоятся, максимальные смещения происходят в центральной его части, а механические напряжения на границе пьезоэлемента с его тыльной акустической средой обращаются в нуль вместе со своей первой производной по координате. Именно поэтому тыльная акустическая среда "не знает", что происходит на другой стороне пьезоэлемента.

Если добротность электрической нагрузки полуволнового пьезоэлемента выбрана из условия Ш = Ог(В(-Вг)/^Хгг то переизлученная пьезоэлементом акустическая волна гасит первичную отраженную, и пьезоэлемент ведет себя как поглотитель акустических волн. Здесь , где £ и

у. » Р

г; - волновые акустические сопротивления материала пьезоэлемента и нагружающих его акустических сред соответственно, у = 1,2 , причем акустические волны падают на пьезоэлемент из среды I.

Явление аномального отражения акустических волн пьезоэлементом позволяет реализовать в акустике устройство, аналогичное электрооптическому затвору в оптике, т.е. создать акустический затвор. Например, для акустического затвора, выполненного в виде полуволнового пьезоэлемента Х-среза из иыб03, нагруженного с обеих сторон на плавленый кварц, для сдвиговой волны имеем Ж = 0,68; В,= В2= 0,44. При (2=0 затвор полностью акустически прозрачен. При ¿1 = 200 амплитуда результирующей отраженной акустической волны в среде I более чем в 100 раз превышает амплитуду результирующей прошедшей волны в среде 2.

Теоретические результаты по управляемому согласованию полуволнового пьезоэлемента с рабочей средой были проверены экспериментально. Измерения коэффициентов отражения и прохождения акустических волн проводились на частоте 3 МГц в импульсном режиме при размещении электрически управляемого пьезоэлемента из пьезокерамики как в воде, так и при его нагружении на кварцевый зву-копровод. Полученные экспериментальные результаты с относительной погрешностью не более 454 подтвердили результаты теоретических исследований.

Дня целей акустоэлектроники, ультразвуковой дефектоскопии и медицинской акустики представляет интерес создание управляемых поглотителй ультразвука пластинчатого типа. Преимущества пьезоэлектрических поглотителей

ультразвука по сравнению с традиционными заключаются в следующем. Во-первых, поглощение ультразвука происходит на расстояниях, сравнимых с длиной ультразвуковой волны, поэтому пьезоэлектрические поглотители ультразвука компактны. Во-вторых ультразвуковая энергия преобразуется пьезоэлектрическим поглотителем не в тепловую, как обычно, а в электрическую, и поэтому может быть легко отведена от поглотителя, что особенно важно при поглощении ультразвука большой интенсивности. Наконец, пьезоэлектрические поглотители ультразвука являются управляемыми, что позволяет изменять их характеристики в процессе работы.

В работе рассмотрена возможность использования плоского электрически управляемого пьезоэлемента с односторонней акустической нагрузкой в качестве поглотителя акустических волн. Для произвольной волновой толщины пьезоэлемента рассчитаны необходимые величины реактивной части и добротности электрической нагрузки, обеспечивающие поглощение нормально падающих на пьезоэлемент плоских акустических волн.

В акустике и оптике давно известна принципиальная возможность согласования двух сред с помощью четвертьволнового просветляющего слоя. Однако в акустике, за редким исключением, не представляется возможным подобрать материал согласующего слоя, в точности удовлетворяющий условиям согласования двух произвольных сред. Поэтому в физике и технике ультразвужа до сих пор существует проблема согласования разнородных акустических сред с целью максимальной передачи ультразвуковой энергии из одной среды в другую.

В работе рассмотрена возможность согласования двух! изотропных акустических сред с помощью электрически управляемого пьезоэлемента, размещенного между этими средами. Исследуются соотношения, связывающие величины акустических нагрузок, волновую толщину пьвзовлеивнта н

величину необходимой реактивной электрической нагрузки пьезоэлемента, которые обеспечивают согласование акустических сред. Физический механизм работы согласующего пьезоэлемента заключается в эффективном обмене энергией между акустической и электрической колебательными системами пьезоэлемента за счет прямого и обратного пьезоэффектов и в переизлучении за счет вторичного пьезоэлектрического взаимодействия акустической энергии пьезоэлементом в нагружающие его среды. Причем амплитуда и фаза переизлученных волн таковы, что первичная отраженная от пьезоэлемента акустическая волна гасится, а ■прошедшая через пьезоэлемент усиливается переизлученной. Приведены частотные зависмости и численные оценки увеличения коэффициента прохождения для системы твердое тело - жидкость с учетом реальных акустических и электрических потерь в согласующем пьезоэлементе и в его электрической нагрузке. Например, в случае согласования пьезокерамики с водой показана возможность увеличения коэффициента прохождения акустических волн с помощью согласующего пьезоэлемента примерно в 2 раза при относительной полосе частот согласования ~ 10*.

В разделе 2.4 рассмотрена искусственная акустическая анизотропия пластинчатого пьезоэлемента. Полуволно-вый пьезоэлемент с высокодобротной резонансной электрической нагрузкой ведет себя по отношению к падающей на него плоской акустической волне как абсолютно жесткая стенка при условии, что вектор смещения в волне параллелен пьезоактивному направлению в пьезоэлементе. Если же вектор смещения ортогонален пьезоактивному направлению, то данный эффект отсутствует. Таким образом, имеет место явление искусственной акустической анизотропии пьезоэлемента. Изменяя направление вектора смещения в падающей на пьезоэлемент сдвиговой волне относительно его пьезоактивного направления, можно изменять акустическую прозрачность пьезоэлемента, т.е. реализовать в

акустике устройство, аналогичное оптическому поляризатору. В работе на примере акустического поляризатора, выполненного в виде пьезоэлемента Х-среза из монокристаллов класса 6тт (Сс{5, Cd.Se., 1пО), рассчитаны зависимости коэффициентов отражения и прохождения акустических волн от ориентации вектора смещения в падающей сдвиговой волне по отношению к пьезоактивноыу направлению пьезоэлемента. Дня пьезоэлемента из 2-пО показана возможность изменения акустической прозрачности более чем на порядок при повороте вектора смещения в нормально падающей на него сдвиговой волне на угол 90° относительно пьезоактивного направления. Показано, что изменение добротности резонансной электрической нагрузки пьезоэлемента приводит не только к изменению амплитуд прошедшей и отраженной от него акустических волн, но и к повороту вектора смещения в отраженной и прошедшей волнах по отношению к направлению вектора смещения в волне падающей.

Акустический поляризатор на основе электрически управляемого пьезоэлемента Х-среза из ¿¿М803 исследовался в работе экспериментально. Для сдвиговых акустических волн с частотой 30 МГц, распространяющихся в звуко-проводе из плавленого кварца, экспериментально была проверена возможность электрического управления поворотом вектора смещения в отраженной н прошедшей через управляемый пьезоэлемент волнах. При этом анизотропия динамических упругих свойств пьезоэлемента изменялась с помощью его электрической нагрузки примерно на порядок.

В разделе 2.4 рассмотрена также взаимная трансформация продольных и сдвиговых волн, обусловленная искусственной акустической анизотропией электрически управляемого пьезоэлемента. Пусть имеется пластинчатый пьезоэлемент повернутого вокруг оси X У-срвза пз конокра-сталла класса Зл7 , в котором эффективная, т.е. с учетом пьезоэлектрических поправок, упругая связь между

продольной и определенной сдвиговой модами колебаний по толщине отсутствует, а пьезоэлектрическая связь, например, через электрическую индукцию, остается. Тогда в электрически ненагруженном пьезоэлементе продольная и сдвиговая волны заданной поляризации могут распространяться независимо друг от друга, а электрическое нагру-кение пьезоэлемента приводит к трансформации одного типа колебаний в другой. В работе для произвольного на-гружения пьезоэлемента на электрической и акустической сторонах получены частотные зависимости коэффициентов отражения и прохождения акустических волн с учетом электрически управляемой взаимной трансформации продольных и сдвиговых волн. На примере акустически односторонне нагруженного пьезоэлемента из ¿¿М603 показана принципиальная возможность полной трансформации сдвиговой падающей волны в отраженную продольную и наоборот.

Глава 3. Электрически управляемые пьезоэлементы стержневого типа.

Третья глава посвящена исследованию электрически управляемых пьезоэлементов стержневого типа. Методом самосогласованного поля с учетом вторичного пьезоэлектрического взаимодействия рассмотрено распространение юнговской акустической волны в тонком составном пьезоэлектрическом волноводе. Одна из частей волновода, снабженная боковыми проводящими обкладками с подключенной к ним произвольной электрической нагрузкой, образует продольно колеблющийся стержневой пьезоэлемент. Наличие проводящих обкладок на волноводе приводит через механизм вторичного пьезоэлектрического взаимодействия к дополнительному однородному по длине пьезоэлемента и периодическому по времени механическому напряжению, распределение амплитуды и фаза которого существенно зависят от величины и характера электрической нагрузки пьезоэлемента. Показано, что вторичное пьезоэлектричес-

кое взаимодействие обусловлено не только токами, протекающими во внешней электрической цепи пьезоэлемента, но и внутренними токами обкладок, сопровождающими акустическую волну. Внутренние токи выравнивают электрический потенциал на обкладках пьезоэлемента, что приводит к переизлучению акустических волн пьезоэлементом и к изменению его акустического и электрического полей.

В разделе 3.1 рассмотрена чувствительность пьезоэлемента с учетом вторичного пьезоэлектрического взаимодействия в режиме приема к смещению в падающей на него акустической волне, а в разделе 3.2 - удельный акустический импеданс пьезоэлемента. Сопоставление удельных акустических импедансов пьезоэлементов пластинчатого и стержневого типов показывает, что они отличаются только членами, обусловленными вторичным пьезоэлектрическим взаимодействием. Отмеченная особенность связана с тем, что в случае стержневого пьезоэлемента имеет место усреднение электрического поля обкладками пьезоэлемента, а электрическая индукция содержит дополнительное слагаемое, обусловленное перетеканием электрических зарядов по электропроводящим обкладкам.

В разделе 3.3 рассмотрены коэффициенты отражения и прохождения акустических "волн. Как и в случае пьезоэлемента пластинчатого типа, резонансная электрическая нагрузка может сильно изменять звукопрозрачность стержневого пьезоэлемента, а вторичное пьезоэлектрическое взаимодействие и в случае поперечного пьезоэффента может приводить к аномальному отражению акустических волн или полному согласованию пьезоэлемента с рабочей средой. Однако величины электрических нагрузок, приводящие к этим эффектам, в случае стержневого пьезоэлемента из-за внутренних токов обкладок отличаются от таковых для пластинчатого пьезоэлемента. Из-за этого различаются и соответственные частотные зависимости коэффициентов отражения и прохождения акустических волн.

В разделе 3.4 рассмотрены частоты полной акустической прозрачности пьезоэлемента стержневого типа. Получено трансцендентное уравнение, связывающее волновую длину стержневого пьезоэлемента и величину его реактивной электрической нагрузки, которые удовлетворяют условию полной акустической прозрачности пьезоэлемента при его симметричном акустическом нагружении по торцам. Проведен анализ графического решения трансцендентного уравнения при произвольном изменении параметров реактивной электрической нагрузки. Показана принципиальная возможность электрической перестройки частот полной акустической прозрачности пьезоэлемента в широком частотном диапазоне ~1,5 октав.

Глава 4. Электрически управляемые пьезоэлементы, выполненные в виде тонкостенных оболочек и мембран.

В.этой главе рассмотрены электрически управляемые пьезоэлементы, выполненные в виде тонкостенных оболочек и мембран. Изучена возможность реализации с помощью таких пьезоэлементов управляемых поглотителей, отражателей и рассеивателей объемных акустических волн в диапазоне звуковых и ультразвуковых частот. Рассмотрено распространение звука в тонкостенном пьезоактивном волноводе, заполненном жидкостью или газом. Показана возможность электрического управления затуханием и дисперсией скорости звука за счет вторичного пьезоэлектрического взаимодействия в таком пьезоактивном волноводе.

В разделе 4.1 рассмотрены характеристики тонкостенного сферического пьезоприемника с произвольной электрической нагрузкой, находящегося в квазистатическом звуковом поле. Учтено влияние вторичного пьезоэлектрического взаимодействия на чувствительность, удельный акустический импеданс, частоты акустического резонанса и сечение рассеяния монопольного типа сферического пье-

зоприемника. Проведены численные оценки диапазонов электрического управления перечисленными выше параметрами. Показана принципиальная возможность управления звукоизоляцией внутреннего объема сферического пьезоприемни-ка от внешнего источника звука на величину ~ 40 дБ.

В разделе 4.2 рассмотрен пьезоэлектрический поглотитель звука сферического типа, нагруженный на жидкую или газообразную среду. Найдены условия электрического нагружения сферического пьезоэлемента, обеспечивающие полное поглощение падающих на него сферических волн, центр симметрии которых совпадает с центром сферической оболочки пьезоэлемента. Рассмотрены варианты внутреннего и внешнего расположения источника акустической энергии. Проведены численные расчеты параметров электрических нагрузок для пьезоэлемента из 8аП03 , односторонне нагруженного на воду для вариантов внутреннего и в внешнего расположения источника.

В разделе 4.3 рассмотрен низкочастотный электрически управляемый пьезоэлемент, выполненный в виде поляризованной по толщине тонкой оболочки, например, из поливинилиденфторида. Электропроводящие обкладки пьезоэлемента соединены с произвольной электрической нагрузкой. Пьезоэлемент имеет форму части тонкостенной сферы, закреплен по контуру нормального сечения в полом цилиндрическом волноводе с абсолютно жесткими стенками и совершает колебания типа "растяжение-сжатие". Волновод может быть заполнен жидкостью или газом. В случае распространения в волноводе нулевой нормальной волны рассчитаны удельный акустический импеданс, коэффициенты отражения и прохождения акустических волн для пьезоэлемента. Найдены критерии использования электрически управляемого пьезоэлемента в качестве низкочастотного акустического затвора и пьезоэлектрического похгстэтеяа звука.

В разделе 4.4 рассмотрена возможность згеетршес—

кого управления затуханием и дисперсией скорости звука в полом пьезоактивном волноводе круглого сечения, заполненном жидкостью или газом. Управление осуществляется за счет изменения величины активно-реактивной электрической нагрузки волновода. Волновод является тонкостенным и узким по сравнению с длиной распространяющейся внутри него нулевой нормальной волны. Стенка волновода выполнена из однородно поляризованной по толщине пьезокерамики и покрыта с обеих сторон электропроводящими обкладками, например, кольцевыми, соединенными с нормированной на единицу длины волновода электрической нагрузкой. Рассматриваются осесимметричные радиальные колебания податливой стенки волновода. Наружное акустическое нагружение волновода отсутствует.

В работе показана возможность управления через механизм вторичного пьезоэлектрического взаимодействия комплексным динамическим модулем упругости стенки волновода и определяемыми им частотой акустического резонанса цилиндрической оболочки волновода, фазовой скоростью и затуханием нулевой нормальной волны в волноводе. Для волновода из ВаТс03 , заполненного водой, при различных добротностях электрической нагрузки рассчитаны затухание и фазовая скорость распространения звука в волноводе в зависимости от расстройки электрической колебательной системы относительно частоты ее электрического резонанса. При этом имеется возможность работы как в режиме большого поглощения звука при.фиксированной фазовой скорости звука, так и в режиме малого поглощения звука, но с большим изменением (примерно в 2 раза) фазовой скорости.

Глава 5. Модуляция звука светом переменной интенсивности и оптически управляемые пьезопреобра-зователи.

Для целей акустоэлектроники, например, для введе-

ния оптических информационных сигналов в акустоэлек-тронные устройства аналоговой обработки сигналов, и физических исследований необходимо осуществлять модуляцию звука светом переменной интенсивности. В данной главе рассмотрен физический механизм и экспериментально исследована возможность модуляции ультразвука за счет изменения с помощью света переменной интенсивности комплексного модуля упругости кристалла тыльной нагрузки пьезоизлучателя, выполненной из фоточувствительного пьезополупроводника. Изменение величины акустического импеданса тыльной нагрузки под действием света обусловлено двумя факторами: вторичным пьезоэлектрическим взаимодействием в ограниченном пьезополупроводниковом кристалле и его фоточувствительностью.

Ниже рассмотрена работа оптически управляемых пьа-зопреобразователей в режиме излучения, однако следует отметить, что такие пьезопреобразователи не менее успешно могут работать и в режиме приема.

В разделе 5.1 рассмотрен новый способ модуляции звука светом переменной интенсивности. Физический механизм этого способа состоит в следующем. Известно, что полуволновый пластинчатый пьезоэлемент наиболее эффективно излучает ультразвук в звукопровод, если акустическая длина его тыльной нагрузки кратна целому числу полуволн. Напротив, при акустической длине тыльной нагрузки, кратной нечетному числу четвертей длины волны, излучение ультразвука в звукопровод не происходит. Пусть кристалл тыльной нагрузки излучающего пьезоэле-мента выполнен из фоточувствительного пьезополупроводника, причем пьезоактивные направления кристалла тыльной нагрузки и пьезоэлемента совпадают. При возбуждении акустических волн в кристалле тыльной нагрузки вторичное пьезоэлектрическое взаимодействие приводит к ужест-чению кристалла и к увеличению фазовой скорости распространения акустических волн в нем. Ограниченность кри-

стаяла тыльной нагрузки обусловливает зависимость его акустического импеданса от его волновой длины, которая, в свою очередь, зависит от степени пьезоэлектрического ужестчения кристалла тыльной нагрузки. Освещение фоточувствительного пьезополупроводникового кристалла светом определенного спектрального состава приводит к генерации в зоне его проводимости дополнительных носителей электрического заряда, которые в зависимости от их концентрации в большей или меньшей степени маскируют пьезозффект в кристалле тыльной нагрузки, а следовательно, изменяют и его афотический импеданс. Изменение акустического импеданса тыльной нагрузки пьезоэлемента приводит к изменению амплитуды излучаемых пьезоэлемен-том в звукопровод акустических волн, т.е. имеет место модуляция звука светом переменной интенсивности.

Возможность практической реализации рассмотренного выше способа модуляции звука светом переменной интенсивности была проверена экспериментально. Кварцевый пьезоэлемент У-среза с основной резонансной частотой 30 МГц нагружался на кварцевый звукопровод. В качестве тыльной нагрузки излучающего пьезоэлемента использовался высокоомный кристалл Сс15 , Промодулированный светом ртутной лампы с частотой 60 Гц акустический сигнал принимался вторым кварцевым пьезоэлементом, расположенным на противоположном конце звукопровода. При этом дополнительные потери двойного преобразования электрического сигнала, обусловленные только оптической модуляцией излучателя, составили 9 дБ.

Раздел 5.2 посвящен теоретическому и более подробному экспериментальному исследованию модуляции ультразвука светом переменной интенсивности. Рассмотрена задача о генерации ультразвука во внешней среде полуволновым пластинчатым пьезоэлементом в случае слабого взаимодействия возбуждаемых светом электронов поводимости в кристалле его тыльной нагрузки с полем ультразвуковой

волны. Для этого предполагается малой величина коэффициента электромеханической связи - Кт кристалла тыльной нагрузки. Показано, что даже при слабой электромеханической связи (К^ — 0,1) вторичное пьезоэлектрическое взаимодействие в ограниченном пьезополупроводниковом кристалле при изменении освещенности может приводить к существенному изменению его акустического импеданса и позволяет получить глубину модуляции излучаемого ультразвукового сигнала более 50%.

Сначала рассмотрен квазистатический режим модуляции ультразвука. Предполагается, что время двойного пробега ультразвукового сигнала по кристаллу тыльной нагрузки много меньше периода Тс=&~ изменения интенсивности света, что частота модулируемого ультразвукового сигнала значительно меньше диффузионной частоты для кристалла тыльной нагрузки и что «I, где Т - время релаксации фотопроводимости кристалла тыльной нагрузки. В рамках этой простейшей модели получены и исследованы аналитические зависимости комплексного акустического импеданса тыльной нагрузки с учетом акустоэлектронного затухания ультразвука в пьезополупроводнике, предельной глубины модуляции, чувствительности и потерь на оптико-акустическое преобразование сигнала от параметров кристалла тыльной нагрузки. Получен критерий выбора оптимальных параметров тыльной нагрузки, обеспечивающий в квазистатическом режиме максимальную глубину модуляции. Например, в случае выполнения тыльной нагрузки из Сс15 глубина модуляции в квазистатическоы режиме по сделанным оценкам может достигать ~95Х.

Изучено влияние релаксации фотопроводимости на уменьшение глубины модуляции и увеличение потерь при оптико-акустическом преобразовании сигналов, что позволяет целенаправленно выбирать параметры и материал кристалла тыльной нагрузки в зависимости от конкретного вида преобразуемых оптических сигналов.

Зависимость глубины модуляции и потерь на преобразование от интенсивности освещения и частоты модуляции звука светом исследованы в работе экспериментально. Для измерений использовалась кварцевая линия задержки с двумя идентичными кварцевыми пьезоэлементами У-среза на частоту 30 МГц. Излучающий пьезоэлемент имел тыльную нагрузку, выполненную из высокоомного фоточувствительного СйЭ . Приемный пьезоэлемент был полностью согласован со звукопроводом с помощью своей электрической нагрузки и надежно заэкранирован, что позволяло работать в непрерывном режиме. В качестве источника света использовалась лампа накаливания, световой поток которой модулировался с помощью вращающегося светонепроницаемого диска с отверстиями и через оптическую систему направлялся на кристалл тыльной нагрузки, причем с помощью светофильтра отсекалась тепловая часть спектра. Освещенность кристалла тыльной нагрузки изменялась от полного затемнения до 5'Ю^лк. Частота прерывания светового потока плавно регулировалась от 12,5 Гц до I кГц.

Анализ экспериментальных зависимостей глубины модуляции и потерь на преобразование от интенсивности освещения и частоты модуляции светового потока показал, что для исследуемых образцов кристаллов Сйв при 61 < 50 Гц процесс модуляции удовлетворительно описывается результатами квазистатического рассмотрения. При 61 > Ю2 Гц существенное влияние на процесс модуляции звука светом переменной интенсивности начинает оказывать релаксация фотопроводимости пьезополупроводника, и для снижения инерционности необходимо применять фоточувствительные пьезополупроводниковые материалы с Т«10"^ с.

В разделе 5.3 рассмотрены конструктивные особенности и сопоставлены характеристики известных в настящее время типов оптически управляемых пьезопреобразователей •дяя объемных ультразвуковых волн. Существенный практический^ интерес представляет использование оптически

управляемых пьезопреобразователей не только в режиме излучения, но и в режиме приема, как при однородном,так и при неоднородном освещении его поверхности. Если распределение освещенности по пьезопреобразователю соответствует акустической зонной пластинке, то в среду излучается сходящийся ультразвуковой пучок, причем локализацией фокального пятна можно управлять, изменяя распределение освещенности по пьезопреобразователю, например, с помощью маски или путем восстановления на его поверхности заранее записанной голограммы. Однако локальная освещенность в последнем случае оказывается малой, и для эффективного управления акустическим полем требуются пьезопреобразователи с достаточно высокой чувствительностью к изменению освещенности.

В работе рассчитаны и сопоставлены между собой предельная глубина модуляции, чувствительность и коэффициент полезного действия для оптически управляемых пьезопреобразователей различных типов. Показано, что предложенный в работе способ модуляции звука светом переменной интенсивности дает возможность построения оптически управляемых пьезопреобразователей с повышенной по сравнению с другими типами чувствительностью к изменению освещенности в сочетании с достаточно большой предельной глубиной модуляции (до 95%) и приемлемым коэффициентом полезного действия (более 20% ) .

Раздел 5.4 посвящен применению оптически управляемых пьезопреобразователей в акустооптике. Основными классами устройств, в которых нашли практическое применение оптически управляемые пьезопреобразователи, являются устройства для управляемого формирования акустических полей и устройства для аналоговой обработки сигнальной информации. К первым относятся устройства управляемого формирования полей с помощью монолитных фазированных решеток. Ко вторым - оптически перестраиваемые по резонансной частоте пьезопреобразователи, уе-

тройства, осуществляющие пространственное преобразование Фурье исходного оптического сигнала, и твердотельные преобразователи акустических изображений. В работе на основе литературных источников рассмотрены конкретные примере этих устройств и их важнйшие характеристики.

Глава б. Управляемые пьезоэлектрические устройства, использующие вторичное пьезоэлектрическое взаимодействие, и перспективы их практического применения

В данной главе рассматриваются некоторые возможности практического применения управляемых пьезоэлектрических устройств, использующих в качестве физического механизма вторичное пьезоэлектрическое взаимодействие в ограниченных пьезодиэлектриках и фоточувствительных пье-зополупроводниках.

В разделе 6.1 рассмотрены пьезопреобразователи с перестраиваемой рабочей частотой и управляемой широко-полосностью. Обсуждаются результаты работ, в которых с помощью управляемой электрической нагрузки пьезоэлемен-тов пластинчатого, стержневого и сферического типов исследовалась возможность изменения резонансной частоты и широкополосности пьезопреобразователей.

В разделе 6.2 рассмотрены электрически перестраиваемые акустические резонаторы и фильтры. Возможность электрического или оптического управления их характеристиками позволяет значительно расширить функциональные возможности этих устройств и создать на их основе адаптивные и динамически перестраиваемые фильтры, анализаторы спектра электрических сигналов и электрически перестраиваемые радиочастотные генераторы. В данном разделе на основании литературных источников рассмотрена практическая реализация этих возможностей.

В разделе 6.3 рассмотрены пьезоэлектрические поглотители акустических волн, выполненные на основе пье-зоэлементов пластинчатого, стержневого и встречно-штыревого типов. В настоящее время такие поглотители уже

находят практическое применение для создания режима бегущих волн в волноводах, для подавления трехзаходных сигналов в линиях задержки и механического демпфирования колебательных систем с целью сокращения в них времени установления колебаний.

Раздел 6.4 посвящен генераторам ультразвуковых и радиоимпульсов, использующих пространственно-временное накопление энергии в акустическом резонаторе. В простейшем варианте такой генератор содержит маломощный источник радиочастотной энергии и акустически соединенные между собой возбуждвющий пьезоэлемент, высокодобротный акустический резонатор и размещенный между резонатором и внешней средой электрически управляемый пьезоэлемент. Рабочий цикл генератора состоит из достаточно длительного времени накачки высокодобротного акустического резонатора от маломощного источника радиочастотной энергии и отбора в течение короткого времени накопленной в резонаторе энергии с помощью электрически управляемого пьезоэлемента. Рассмотрены устройство, принцип действия и проведены оценки параметров генераторов со стержневым и объемным резонаторами. Обсуждено влияние на характеристики генераторов электрических и акустических потерь, в частности, влияние контактных слоев между элементами генератора на еысоких частотах.

В разделе 6.5 рассмотрены параметрические свойства оптически управляемых" пьезопреобразователей и оптических устройств на их основе. В силу параметрических свойств появляется возможность перемножения и гетеродиниро-вания с помощью оптически управляемых устройств сигналов, один из которых - оптический, а другой - например, электрический. В разделе приведены примеры параметрической обработки сигналов.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Положено начало новому направлению исследований в акустоэлектронике - изучению управляемого вторичного пьезоэлектрического взаимодействия в ограниченных твердых телах и его применен' до для управления акустическими полями.

2. 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.

3. Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что за счет вторичного пьезоэлектрического взаимодействия плоская ультразвуковая волна при нормальном падении отражается от пластинчатого пьезоэлемента (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).

4. Теоретически показано, что для определенных классов акустических полей аномальное отражение звука, обусловленное вторичным пьезоэлектрическим взаимодействием, имеет место также для пьезоэлементов стержневого, сферического и мембранного типов (поперечный пьезо-эффект).

5. Теоретически показано, что для пьезоэлементов, сравнимых по размерам с длиной акустической волны в них, аномальное отражение звука сопровождается существенным изменением пространственного распределения акустического и электрического полей в пьезоэлементе.

6. Для пьезоэлементов пластинчатого, стержневого, сферического и мембранного типов обоснована принципиаль-

ная 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.

7. 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.

8. Предсказано, теоретически исследовано и экспериментально подтверждено вращение плоскости поляризации нормально падающей ультразвуковой волны электрически управляемым пьезоэлементом, обусловленное его искусственной акустической анизотропией. Поворот плоскости поляризации имеет место как для отраженной, так и для прошедшей ультразвуковых волн по отношению к плоскости поляризации падающей ультразвуковой волны.

9. Предсказана и теоретически исследована управляемая трансформация продольных и сдвиговых волн в электрически управляемых пьезоэлементах из кристаллов класса Згл . Взаимная трансформация продольных и сдвиговых волн обусловлена пьезоэлектрической связью через электрическую индукцию продольной и сдвиговой компонент деформации в пьезоэлементе (еще одно проявление искусственной акустической анизотропии ) , причем эта связь зависит от величины и характера электрической нагрузки пьезоэлемента. Теоретически показана принципиальная возможность полной трансформации продольной падающей волны в отраженную сдвиговую и наоборот.

10. Теоретически исследовано управляемое согласование изотропных акустических сред с помощью пластинча-

того пьезоэлемента с реактивной электрической нагрузкой, размещенного между этими средами. Такой пьезоэлемент является акустическим трансформатором, который трансформирует акустическое сопротивление находящейся за ним среды до величины акустического сопротивления, нагружающего переднюю грань пьезоэлемента.

11. Предложены новый принцип генерации ультразвуковых и радиоимпульсов и новый класс акустоэлектричес-ких 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 - Т0 накопленной в резонаторе энергии с помощью электрически управляемого пьезоэлемента Сакустического затвора) в электрическую (радиоимпульс) или акустическую (ультразвуковой импульс^ нагрузку. , го - Ц^, где Ьа - длина и ва -до-

бротность акустического резонатора, а гга - скорость звука в акустическом резонаторе.

12. Предложен, теоретически и экспериментально исследован новый способ модуляции звука светом переменной интенсивности, основанный на вторичном пьезоэлектрическом взаимодействии в фоточувствительном пьезополупровод-никовоы кристалле. Физическую основу этого способа составляет зависимость звукового поля и акустического импеданса тыльной нагрузки пластинчатого пьезоэлемента, выполненной из фоточувствительного пьезополупроводника, от освещенности. Этот эффект является следствием зависимости скорости звука в фоточувствительном пьезополу-проводнике от освещенности и также обусловлен проявлением вторичного пьезоэлектрического взаимодействия электрического и акустического полей в ограниченном пьезо-попупроводнике. На основании этого способа модуляции звука светом переменной интенсивности предложено не-

сколько новых типов оптически управляемых пьеэопреобра-зователей, отличающихся повышенной эффективностью по сравнению с известными.

13. Предсказана и теоретически исследована возможность электрического управления за счет вторичного пьезоэлектрического взаимодействия затуханием и дисперсией скорости звука в полом пьезоактивном волноводе, заполненном жидкостью или газом.

14. Предложена физическая модель формирования акустического поля в ограниченном пьезоэлекгрике и в окружающих его средах, основанная на переизлучении акустических волн за счет вторичного пьезоэлектрического взаимодействия. Показано, что вторичное пьезоэлектрическое взаимодействие в ограниченном пьезоэлектрике при определенных условиях может сопровождаться существенным изменением пространственного распределения акустического поля как в самом пьезоэлектрике, так и в окружающих его средах.

15. Заложены физические основы практического использования вторичного пьезоэлектрического взаимодействия в ограниченных твердых телах для управляемого формирования акустических полей объемных звуковых и ультразвуковых волн.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах;

I. Гриценко Е.К. Акустикоэлектрическое преобразование энергии в пьезодиэлектрических и пьезополупровод-никовых приемниках на резонансной частоте // Ануст.луря. -I969.-T.I5, вып.2.-С.212-218.-Библиогр.:с.218(11 назв)

2. Грищенко Е.К. Потери и частотные характеристик? пьезоприемников // Акуст. журн.-1973.-Т.19, вып.2.-

С. 162-169.-Библиогр.:с. 169 (5 назв.)

3. A.c. 3989II, СССР, Ш3 С 02^2/00. Способ модуляции звука светом / Е.К.Грищенко. - Р I7I4578/I8-I0; Заявл. II.II.71; Опубл. в Б.И.*- 1973,. Р 3S-

4. Гриценко E.K. Модуляция звука светом // Акуст. журн.-1974.-Т.20, вылЛ.-С.128-129.-Библиогр.:с.129 (3 назв.)

5. Грищенко Е.К. Акустические и электрические поля внутри пьезодиэлектрической пластины // Акуст. журн. -1974.-Т.20, вып.4.-С.543-549.-Библиогр.:с.549(7 назв.)

6. A.c. 447174, СССР, МЕСИ3 В 06 В 1/06. Устройство для формирования ультразвукового поля / Е.К.Грищенко.-Р 185580б/18-10;Заявл.02.12.72;Опубл. в Б.И.,1974, Р 39

7. Грищенко Е.К. , Холод Л.И. Акустический импе-данц и прозрачность плоского пьезоэлеыента с электрической нагрузкой // Акуст. журн.-1975.-Т.21, вып.3.-С.405 -408.-Библиогр.:с.408 (3 назв.)

8. Грищенко Е.К. Акустический аналог электрооптического затвора // Акуст. журн.-1975.-Т.21, вып.5.-

С.827-828.-Библиогр.:с.828 (3 назв.)

9. Грищенко Е.К. Исследование оптической модуляции ультразвука // Акуст. журн.-1975.-Т.21, вып.6.-С.854 -862.-Библиогр.:с.862 (4 назв.)

10. A.c. 489272, СССР, МИГ3 Н 04 R 17/00. Устройство для генерации ультразвуковых импульсов / Е.К.Грищенко.- 1996964/18-10; Заявл. 18.02.74; Опубл. в Б.И., i'975, Р 39

11. Грищенко Е.К. Искусственная акустическая анизотропия управляемого пьезоэлемента // Акуст. журн. -1976.-Т.22, вып.5.-С.693-697.-Библиогр.:с.697 (5 назв.)

12. A.c. 529850, СССР, МШ? В 06 В 1/06. Устройство для формирования ультразвукового поля / Е.К.Грищенко.- Р 2178293/10; Заявл. 06.10.75; Опубл. в Б.И.,

1976. Р 36

IU. A.c. 558-123, СССР, Н 04 R 17/00. Устройство для генерации ультразвуковых импульсов / Е.К.Грищенко. - Р 2325210/10; Заявл. 16.02.76; Опубл. в Б.И.,

1977, Р 18

14. Грищенко Е.К. Распространение звука в тонком

пьезоэлектрическом волноводе с электрической нагрузкой /7 Акуст. яурн. -1977.-Т. 23, выг;.4.-С.561-568.-Библиогр.: 0.568 (4 назв.)

15. Грищенко Е.К. Оптически управляемые пьезопре-сбразователи для объемных ультразвуковых волн // Акуст. яуря.-1978.-Т.24 , вып.З.-С.339-347.-Библиогр.:с.347

(10 назв.)

16. A.c. 704669, СССР, ШИ3 В 06 В 1/06. Устройство для формирования ультразвукового поля / Е.К.Грищенко. -JP 25II838/I8-I0; Заявл. 20.07.77; Опубл. в Б.И., 1979,

Ш 47

17. Гркщенко Е.К, 0 различии в оценке параметров пьезопреобразователей методами заданного и самосогласованного полей // Акуст. журн.-1979.-Т.25, вып.I.-С.44-52.-Библиогр.:с.52 (14 назв.)

18. A.c. 777884, СССР, Ш? Н 04 R 17/00. Устройство для генерации ультразвуковых импульсов / Е.К.Гри-щенко. - Р 26I.9879/I8-I0; Заявл. 26.05.78; Опубл. в Б.И, 1980, Ш 41

19.Грищенко Е.К. Трансформация продольных и сдвиговых волн управляемым пьезоэлементом из LLU503// Акуст. нурн.-1980.-Т.2б, вып.6,-С.846-853.-Библиогр.:с.852 -853 (12 назв.)

20. Грищенко Е.К. Управляемое согласование акустических сред // Письма в НТФ.-1980.-Т.6, вып.23.-С.1460-1462.- Библиогр.:с.1462 (8 назв.)

21. Гриценко Е.К. Управляеше акустоэлектрическке устройства // Всесоюзная конференция по акустоэлектро-нине и квантовой акустике, 11-я. Материалы конференции, ч.2.- Душанбе: Дониш, I98I.-C.I07.

22. Гриценко Е.К. Тонкостенный сферический пьезо-прлемннн с управляемой электрической нагрузкой // Акуст. аурн.-1982.-Т.28, вып.I.-C.25-3I.-Библиогр.:с.31(7 назв)

23. Гриценко Е.К. Пьезоэлектрический поглотитель ультразвука пластинчатого типа // Акуст. ;-урн.-1982.-

Т.28, вып.4.-С.486-488.-Библиогр.:с.488 (4 назв.)

24. Грищенко Е.К. Акустический поляризатор на основе электрически управляемого пьезоэлемента // Письма в ЖМ.-1982.-Т.8, вып. 13.-С.785-788.-Библиогр.:с.788 (7 назв.)

25. Грищенко Е.К. Пьезоэлектрический поглотитель звука сферического типа //Всесоюзная акустическая конференция, 10-я. Секция Р.- М., 1983.-С.22-25.

26. Грищенко Е.К. Низкочастотный электрически управляемый пьезоэлемент // Акуст. журн.-1983.-Т.29, вып.4.-С.475-478.-Библиогр.:с.478 (10 назв.)

27. A.c. 1224820, СССР, МКй3 GIOK 11/00. Устройство для поглощения звука / Е.К.Грищенко. - !Р 3658043/ 24-10; Заявл. 31.10.83; Опубл. в Б. П., 1986, Р 14

28. Грищенко Е.К. Распространение звука в управляемом пьезоактивном волноводе // Акуст. журн.-1987.-Т.ЗЗ, вып.2.~С.219-222.-Библиогр.:с.222 (14 назв.)

Подписано в печать и свет 22.05.89. Т-010Г7 Заказ 158_Тираж 100 экз.

Отпечатано на ротапринте Акустического института