Динамические неоднородности

В функциональной электронике используются динамические неоднородности акустической, акустоэлектронной или акустооптической природы.

В твердом теле могут возбуждаться акустоэлектрические волны, представляющие собой некоторое возмущение вследствие деформации материала.

Такие деформации имеют место при движении отдельных атомов и сопряжены с изменением расстояний между ними.

При этом возникают внутренние упругие силы, стремящиеся вернуть материал в исходное состояние. Колебания атомов происходят вблизи положения равновесия, и при этом генерируется волна механического напряжения и растяжения.

Если размеры звукопровода намного больше длины акустической волны, то в нем могут распространяться объемные акустические волны.

Если же среда, в которой распространяются волны, является ограниченной, то на распространение волн существенное влияние оказывают граничные условия.

В однородной среде со свободной плоской поверхностью существуют поверхностные акустические волны (ПАВ).

По вектору поляризации волн ПАВ бывают двух типов:

для вертикальной поляризации характерно расположение вектора колебательного смещения частицы среды в перпендикулярной границе плоскости;

для горизонтальной поляризации вектор смещения частицы среды параллелен границе и перпендикулярен направлению распространения волны.

ПАВ являются направленными волнами, другими словами, их амплитуда экспоненциально убывает с глубиной. Поэтому ~ 90% переносимой энергии сосредоточено в слое глубиной не более одной длины волны.

Простейшим типом ПАВ являются волны с вертикальной поляризацией, распространяющиеся вдоль границы твердого тела с вакуумом. Это так называемые волны Рэлея (рис. 2.1.а). Энергия рэлеевских волн локализована в приповерхностном слое звукопровода d_p≈ λ _a, где λ _a - длина акустической волны. Волны Рэлея не обладают дисперсией, т. е. скорость их распространения не зависит от частоты.

Вдоль границы двух твердых тел могут распространяться волны Стоунли, состоящие как бы из двух рэлеевских волн (рис. 2.1.б).

К волнам с горизонтальной поляризацией относятся волны Лява (рис.2.1.в). Это сдвиговые волны, существующие в тонком слое на поверхности твердого тела. Волны Лява обладают дисперсией.

Волны Лява локализуются в слое, толщина которого d_p≥ λ _a.

Рис. 2.1 – Поверхностные акустические волны различных типов:

а - волны Рэлея; б - волны Стоунли; в - волны Лява; г - волны Гуляева-Блюштейна

Существуют чисто сдвиговые волны, не обладающие дисперсией (рис. 2.1.г). Эти волны получили название волн Гуляева-Блюштейна. ПАВ Гуляева-Блюштейна могут существовать на свободной поверхности пьезоэлектрических кристаллов. Глубина их проникновения d_r в десятки раз превышает длину акустической волны (d_p»λ _a). Применение таких волн позволяет избежать тщательной обработки поверхности материала.

При распространении ПАВ в континуальных средах с различными физическими свойствами возникает эффект генерации динамических неоднородностей другой природы. Вследствие явления акустоэлектронного взаимодействия происходит воздействие акустической волны на электроны проводимости в твердых телах. Результатом такого воздействия является обмен энергией и импульсом между акустической волной и электронами проводимости. Например, передача энергии акустической волны электронам приводит к электронному поглощению звука, а передача импульса акустической волны стимулирует возникновение электрического тока. Возможно явление усиления звука за счет стимулированного дрейфа электронов в твердом теле и частичной передачи энергии акустической волне.

Возникающая при распространении акустической волны деформация вызывает в пьезоматериалах переменное электрическое поле.

Амплитуда и фаза этого переменного электрического поля находятся в прямой зависимости от объемного заряда электронов проводимости (прямой пьезоэффект).

В свою очередь это поле вызывает деформацию кристалла и соответственно изменение характера распространения волны (обратный пьезоэффект). Акустическая волна генерирует волны электрических полей.

В местах, где кристалл сжимается волной, наведенное электрическое поле замедляет движение электронов, а в местах растягивания кристалла волной наблюдается ускорение электронов за счет внутреннего электрического поля.

Под действием этих полей носители стремятся сгруппироваться в областях с минимумом потенциальной энергии. Возникают затухающие волны объемного заряда, несколько запаздывающие по отношению к акустической волне (рис. 2.2.а). Волны объемного заряда представляют собой динамические неоднородности электрической природы, стимулированные ПАВ.

Рис. 2.2 – Схема взаимодействия динамических неоднородностей акустической и электрической природы: а - при отсутствии потенциала; б - при наличии потенциала на звукопроводе

Если звукопровод поместить в постоянное электрическое поле Е₀, то возникает дрейф электронов со скоростью V_др = μ Е₀, где μ - подвижность. В случае, когда V_др> V_ПАВ (V_ПАВ - фазовая скорость распространения акустической волны), электроны отдают свою энергию ПАВ и амплитуда ПАВ резко возрастает (рис. 2.2.6).

Возникает явление обмена энергией между динамическими неоднородностями акустической и электронной природы в пределах одной континуальной среды.

В акустооптических средах акустические и электромагнитные волны параметрически связаны упругооптическим эффектом. Упругая акустическая волна индуцирует изменение показателя преломления. Это позволяет сформировать динамические неоднородности в виде оптических неоднородностей по показателю преломления (фазовой решетки), распространяющихся вслед за акустической волной. Свет дифрагирует на таких регулярных динамических неоднородностях оптической природы.

Акустическая волна в пьезомагнитной среде (антиферромагнетиках) порождает магнитоупругие волны, которые являются еще одним типом динамических неоднородностей в акустоэлектронике.