Линии задержки акустические. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Линии задержки акустические - устройства для задержки электрических сигналов на время от долей мкс до десятков мс, основанные на использовании относительно малой скорости распространения упругих волн. Л. з. наз. ультразвуковыми (УЛЗ) при работе на частотах w волн от единиц до сотен МГц или гиперзвуковыми (ГЛЗ) при w от 1 ГГц и выше. Л. з. применяются в качестве устройств акустоэлектроники для обработки сигналов в разл. областях электронной техники (радиолокац. аппаратура, телевидение, устройства связи и др.). Известны также акустооптич. Л. з., в к-рых для обнаружения сигнала на выходе Л. з. используется взаимодействие упругих волн со световым пучком.

Л. з. состоят из трёх осн. элементов (рис. 1,а): входного 1 и выходного 2 электроакустических преобразователей, преобразующих электрич. колебания в упругие на входе Л. з. и упругие колебания в электрические на её выходе, и звукопровода 3, механически связанного с преобразователями, в котором распространяются упругие волны. Т. к. скорость распространения последних примерно в 10⁵ меньше скорости распространения электрич. волн, то время распространения упругих волн в звукопроводе и определяет время задержки сигнала. Л. з. могут работать "на проход" (рис. 1, а), при этом входной и выходной преобразователи разделены, или "на отражение" (рис. 1, б), когда один и тот же преобразователь служит входным в момент прихода задерживаемого сигнала и выходным, когда с него снимается задержанный сигнал.

Рис. 1. Схемы включения ультразвуковых линий задержки, работающих "на проход" (а) и "на отражение" (б).

В качестве преобразователей в УЛЗ используются преим. пластины из монокристаллов пьезоэлектриков, пьезокерамика. В нек-рых случаях применяются магнитострикционные преобразователи. Звукопроводом УЛЗ служит твёрдая среда, в к-рой упругие волны распространяются с относительно малыми потерями.

Основные параметры Л. з.: 1) время задержки

зависит от длины пути, проходимого упругой волной в звукопроводе; 2) рабочая частота f₀, определяется преим. резонансной частотой преобразователей; 3) полоса пропускания

зависит в основном от добротности преобразователей; 4) потери D, вносимые Л. з., величина к-рых складывается из потерь на двукратное электромеханич. преобразование на входе и выходе и потерь при распространении упругих волн в звукопроводе; 5) уровень ложных сигналов, т. е. сигналов, приходящих на выход Л. з. со временем задержки, отличающимся от заданного; он оценивается как отношение амплитуды ложного сигнала к амплитуде основного. В зависимости от назначения Л. з. могут рассматриваться и такие параметры, как температурный коэф. задержки, зависящий от материала звукопровода и в большинстве случаев равный от 10^-⁴ 1/°С до 10^-6l/°C; неравномерность амплитудно-частотной характеристики, в значит. степени определяемой уровнем ложных сигналов, и др.

Акустические Л. з. можно условно разделить на три группы в зависимости от вида используемых упругих волн и от соотношения между длиной волны

упругих колебаний, распространяющихся в звукопроводе, и его размерами.

Л. з. на объёмных волнах. К этой группе можно отнести УЛЗ, где объёмные волны (продольные пли поперечные) распространяются по звукопроводу, размеры сечения к-рого существенно превышают

Электроакустич. преобразователями здесь служат одно-полуволновые пластины из пьезоэлектриков (кристаллич. кварц, ниобат лития и др.). Звукопроводы для них изготавливаются из плавленого кварца, спец. стекла, монокристаллов кварца и солей NaCl, KC1 и др., а также магниевого сплава. Соответственно эти УЛЗ наз. кварцевыми, стеклянными, монокристаллическими и магниевыми. Увеличение т в пределах заданного размера звукопровода может быть достигнуто за счёт многократных отражений упругих волн на пути от входа до выхода УЛЗ (рис. 2). Эти УЛЗ работают в основном на частотах от единиц до 100 МГц и более и обеспечивают время задержки до 3-4 мс. У таких УЛЗ

обычно лежит в пределах от 0,1 до 0,5 и уровень ложных сигналов составляет от -26 дБ до -40 дБ. Вносимые потери D в зависимости от параметров преобразователей длительности задержки и материала звукопровода могут варьироваться в значит. интервале от 20 дБ до 70 дБ. Применение этих УЛЗ, в особенности магниевых, а частично и УЛЗ на основе солей монокристаллов, быстро сокращается благодаря развитию микроэлектроники и, в частности, цифровой техники, позволяющей реализовать широкий диапазон задержек, не прибегая к использованию сравнительно громоздких акустоэлектронных аналоговых устройств.

Рис. 2. Направления распространения ультразвукового пучка в ультразвуковых линиях задержки с звукопроводами различной формы: а - многоугольной; б - прямоугольной с малыми углами отражения; в - прямоугольной с углами отражения 45°.

ГЛЗ, работающие на объёмных волнах, также относятся к рассматриваемой группе Л. з. Возбуждение и приём гиперзвука в ГЛЗ со звукопроводами из непьезоэлектриков (сапфир, рубин и др.) осуществляется плёночными пьезоэлектрическими преобразователями, в основном CdS и ZnO, напыленными на предварительно металлизированные торцы бруска (рис. 3, а). Реже применяются магнитострикционные преобразователи в виде никелевых плёнок. Время задержки в таких ГЛЗ редко превышает 15-20 мкс на частотах 1-3 ГГц и уменьшается до 1-5 мкс с повышением

до 10 ГГц Потери в этих ГЛЗ обычно составляют до 50-70 дБ при

0,2-0,5. Из-за пробоя плёнок преобразователя приходится ограничивать ср. мощность импульсов, подаваемых на вход ГЛЗ, величиной

50-100 мВт. Для повышения допустимой величины импульсной мощности применяют многоэлектродные плёночные преобразователи, представляющие собой ряд последовательно включённых участков плёнки с площадью каждого из них, уменьшенной пропорционально числу участков.

Рис. 3. Гиперзвуковые линии задержки: а - плёночными преобразователями (1 - плёнка, 2 - звукопровод, 3 - электрод); б - со звукопроводом 1 из пьезоэлектрика, закреплённым в резонаторе 2.

В ГЛЗ со звукопроводами из пьезоэлектрика (напр., из кристаллич. кварца или ниобата лития) преобразование осуществляется также и путём непосредств. взаимодействия электрич. поля эл--магн. резонатора с при-поверхностным слоем звукопровода, закреплённого в этом резонаторе (рис. 3, 6). Такие ГЛЗ работают на частотах до 3-4 ГГц и обеспечивают задержки до 10- 15 мкс при

0,01-0,02 и D до 70-100 дБ; максимально допустимая импульсная мощность на входе здесь достигает 1 кВт.

Потери в звукопроводах из диэлектрич. монокристаллов могут быть существенно уменьшены путём понижения температуры T до значений

Т_Д, где Т_Д - темп-pa Дебая для этих кристаллов.

Переменные ГЛЗ (с переменным значением и дисперсионные ГЛЗ (с

зависящим от частоты)

реализуются с применением магнитоупругих волн, возбуждаемых в магнитоупорядоченных кристаллах (напр., в железоиттриевом гранате). Изменение задержки здесь достигается переносом областей возбуждения и приёма магнитоупругих волн (т. е. переносом областей перехода спиновых волн в упругие на входе ГЛЗ и обратного перехода на её выходе), что достигается изменением напряжённости H₀ внешнего постоянного магн. поля. Пределы изменения

в переменных ГЛЗ составляют примерно 1-10 мкм, D - ок. 70 дБ на частотах до 3 ГГц, а обычно не превышает 0,05-0,1. В дисперсионных ГЛЗ на магнитоупругих волнах используется эффект дисперсии скорости волн при определённых значениях H₀. В железоиттриевом гранате дисперсия составляет доли мкс в относит. полосе пропускания до 0,01.

Л. з. на поверхностных акустических волнах. УЛЗ И ГЛЗ на поверхностных акустических волнах (ПАВ) получили широкое распространение в качестве микроминиатюрных устройств для обработки сигналов. Ввод и снятие сигнала здесь осуществляются с помощью встречно-штыревых преобразователей, каждый из к-рых представляет собой решётку в виде ряда противофазных электродов - параллельных полос в основном из алюминия,- нанесённых на поверхность звукопровода из пьезоэлектрика (рис. 4), напр. из кристаллич. кварца или ниобата лития. Ширина полос (электродов) встречно-штыревых преобразователей и интервалов между ними равна

длины волны излучаемых (принимаемых) ПАВ. Известны также УЛЗ на ПАВ, в к-рых материалом для встречно-штыревых преобразователей служит пьезоплёнка (напр., ZnO или CdS), а звукопровод изготавливается из непьезоэлектрика. УЛЗ на ПАВ работают на частотах от единиц до сотен МГц, а ГЛЗ - до 2-3 ГГц. Ограничение по

здесь обусловлено в основном технологией изготовления встречно-штыревых преобразователей (при использовании фотолитографии, напр., макс. значение

400 МГц, а в случае применения электронолитографии или рентгенолитографии - до неск. ГГц). Время задержки в УЛЗ на ПАВ обычно не превышает 150-200 мкс. Величина

составляет 0,1-0,5, а D до 40-50 дБ. В ГЛЗ время задержки составляет единицы мкс.

Рис. 4. Схемы ультразвуковых линий задержки на поверхностных волнах с преобразователями в виде эквидистантных (а), неэквидистантных (б) решёток.

Рис. 5. Многоотводные линии задержки на поверхностных волнах.

Рис. 6. Фазоманипулированная линия задержки на ПАВ (а), чередование полярностей электродов которой позволяет получить фазокоди-рованный сигнал вида б.

Рис. 7. Схемы дисперсионных линий задержки, у которых: а - время задержки Т с увеличением частоты

уменьшается; б - время Т с увеличением

увеличивается.

Наиб. широкое применение УЛЗ на ПАВ нашли в качестве многоотводных, фазоманипулированных и дисперсионных УЛЗ. Мн огоотводпые УЛЗ (рис. 5) могут иметь число отводов, определяемое, с одной стороны, максимально допустимой задержкой, с другой - мин. временным интервалом между отводами, равным примерно 0,1-0,2 мкс. Фазоманипулированные УЛЗ широко используются в качестве пассивных устройств обработки фазокодиро-ванных сигналов с бинарными кодами (с изменением фазы сигнала на

В этих УЛЗ чередование полярностей или фаз электродов встречно-штыревых преобразователей (рис. 6, а) задаётся в соответствии с необходимостью получения определённого распределения фаз в фазокодированном сигнале (рис. 6, б). Дисперс. УЛЗ, применяемые для пассивного формирования и сжатия частотно-модулированных(ЧМ) сигналов, позволяют относительно просто задавать как линейный, так и нелинейный законы частотной модуляции, обеспечивая любой (положит. или отрицат.) наклон дисперсионной характеристики (рис. 7). Дисперсия здесь имитируется благодаря разнице в расстояниях между участками входной и выходной решёток, работающими на разных частотах. Такие УЛЗ формируют ЧМ-сигналы длительностью до 200-250 мкс,

может составлять до 0,5-0,6. При использовании этих УЛЗ для формирования и последующего сжатия ЧМ-сигналов (оптимальная фильтрация) коэф. сжатия (произведение длительности ЧМ-сигнала на полосу пропускания) может достигать 1000. Известны также дисперсионные УЛЗ, у к-рых входом и выходом служат две эквидистантные решётки, а эффект дисперсии имитируется с помощью двух отражающих неэквидистантных решёток, выполненных в виде двух рядов отражающих элементов (канавок, металлич. полосок я др.), расположенных под углом 90° друг к другу и под углом 45° к направлению распространения ПАВ. Такие УЛЗ также могут формировать ЧМ-сигнал с любым знаком дисперсионной характеристики и обеспечивают длительность ЧМ-сигнала до 400 мкс, а коэф. сжатия-до 5000.

Волноводные УЛЗ составляют третью группу УЛЗ. Они работают на объёмных волнах, распространяющихся в звукопроводе, размеры сечения к-рого соизмеримы с

К ним относятся полосковые (ленточные) УЛЗ, в к-рых используются продольные и поперечные волны, и проволочные УЛЗ, в к-рых пользуются продольными и преим. крутильными волнами. Такие УЛЗ работают на частотах до 10-15 МГц и обеспечивают задержку до 100 мкс и более (на частотах порядка 1-3 МГц). Величина

у них достигает 0,5, a D составляют до 30-40 дБ. В полосковых УЛЗ используются поперечные упругие волны с направлением поляризации вдоль ширины ленты (поперечная нормальная нулевая волна). В случае распространения в ленточном звукопроводе продольных волн или поперечных с поляризацией по толщине ленты (первая нормальная поперечная волна) возникает эффект дисперсии. Относит. ннзкочастотность таких УЛЗ и соответственно их узкополосность сделали возможной практически почти полную замену их цифровыми устройствами. Исключение пока составляют полосковые дисперсионные УЛЗ с использованием отражающих структур Tипа IMCON, работающих на недисперсионных поперечных волнах, поляризованных по ширине ленты (нормальная нулевая волна). Эффект дисперсии здесь создаётся двумя отражающими неэквидистантными решётками с канавками, по конфигурации и взаимному расположению не отличающимися от показанных на рис. 8. Звукопроводом в этих УЛЗ служит металлич. лента толщиной

Преобразование на входе и выходе УЛЗ осуществляется двумя пьезопластинками, закреплёнными (приклейка или припайка) на торце ленты вблизи от мест расположения встречно-штыревых преобразователей. Дисперсионные узлы УЛЗ типа IMCON работают на частотах до 20- 30 МГц, с относит. полосой пропускания до 0,5 и могут обеспечить коэф. сжатия примерно до 1000. Однако с развитием высокоразрядных аналого-цифровых преобразователей можно и здесь ожидать перехода на цифровые устройства.

Рис. 8. Дисперсионная линия задержки с отражающими канавками.

Литература по акустическим задержки

Знаете ли Вы, в чем фокус эксперимента Майкельсона?

Эксперимент А. Майкельсона, Майкельсона - Морли - действительно является цирковым фокусом, загипнотизировавшим физиков на 120 лет.

Дело в том, что в его постановке и выводах произведена подмена, аналогичная подмене в школьной шуточной задачке на сообразительность, в которой спрашивается:
- Cколько яблок на березе, если на одной ветке их 5, на другой ветке - 10 и так далее
При этом внимание учеников намеренно отвлекается от того основополагающего факта, что на березе яблоки не растут, в принципе.

В эксперименте Майкельсона ставится вопрос о движении эфира относительно покоящегося в лабораторной системе интерферометра. Однако, если мы ищем эфир, как базовую материю, из которой состоит всё вещество интерферометра, лаборатории, да и Земли в целом, то, естественно, эфир тоже будет неподвижен, так как земное вещество есть всего навсего определенным образом структурированный эфир, и никак не может двигаться относительно самого себя.

Удивительно, что этот цирковой трюк овладел на 120 лет умами физиков на полном серьезе, хотя его прототипы есть в сказках-небылицах всех народов всех времен, включая барона Мюнхаузена, вытащившего себя за волосы из болота, и призванных показать детям возможные жульничества и тем защитить их во взрослой жизни. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.