Электроакустическое эхо (фононное, или поляризационное, эхо). РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Электроакустическое эхо (фононное, или поляризационное, эхо) - появление дополнит. радиоимпульсов при воздействии на пьезоэлектрик двух или более радиоимпульсов. Э. э.- нелинейный эффект, наблюдаемый в пьезоэлектрич. монокристаллах, иногда в порошках пьезоэлектрич. кристаллов. Различают двухимпульсное и трёхимпульсное Э. э.

Для наблюдения двухимпульсного Э. э. исследуемый кристалл 2 (рис. 1) помещают в ёмкостный зазор СВЧ-резонатора или между обкладками конденсатора 1, включённого в контур ВЧ-генератора ЯМР-спектрометра 4. В момент времени t = 0 на образец подаётся сигнал - радиоимпульс с частотой заполнения w, а через промежуток времени t - второй импульс с частотой 2w. Эффект Э. э. состоит в появлении дополнит. сигнала (отклика) с частотой w через время t после подачи второго импульса. Этот отклик может быть задержан на любой, достаточно большой промежуток времени, не кратный времени прохождения звуковой волны в кристалле.

Рис. 1. Схема наблюдения электроакустического эха в пьезо-электрическом кристалле, помещённом в электрическое поле: 1- конденсатор; 2-кристалл; 3-акустические волны; 4- импульсный ЯМР-спектрометр.

Рис. 2. Временное распределение импульсов двухимпульсного (а)и трёхимпульсного (б)электронного эха.

Механизм эффекта двухимпульсного Э. э. состоит в следующем. Радиоимпульс в момент t = 0 (рис. 2, а)возбуждает с поверхности пьезокристалла УЗ-волны, к-рые распространяются в глубь кристалла. Частота этих волн равна со, волновой вектор равен k, а амплитуда зависит от анизотропии пьезоэлектрич. свойств и упругости кристалла, его ориентации в электрич. поле конденсатора, качества обработки поверхности и амплитуды возбудившего их электрич. поля. Поле радиоимпульса с частотой 2w, подаваемого в момент времени t, взаимодействует нелинейно с системой бегущих УЗ-волн. Это взаимодействие обусловлено нелинейностью пьезоэффекта. Как видно из дисперсионной диаграммы (рис. 3, а), взаимодействие прямой акустич. волны (w, k)и внеш. электрич. поля (2w, 0) приводит к генерации обратной волны (w, - k). Поэтому второй импульс с частотой 2w в момент t меняет направление распространения всех акустич. волн на обратное, а ещё через один промежуток времени t эти волны приходят в исходные точки, т. е. на поверхность пьезоэлектрич. кристалла, причём в момент прихода все волны вновь находятся в фазе. На поверхности кристалла происходит преобразование акустич. волн (w, k)в электрич. сигнал с частотой w, к-рый и воспринимается как отклик, т. е. сигнал Э. э. Амплитуда последнего зависит от эффективности преобразования переменного поля в УЗ-колебания и обратно, от затухания УЗ-волн в кристалле, а также от степени нелинейности. Форма импульса определяется анизотропией линейных и нелинейных пьезоэлектрич. коэффициентов. При увеличении времени задержки t амплитуда импульса Э. э. уменьшается, т. к. увеличивается время пробега ультразвукового импульса и его затухание в кристалле. В принципе, величина т может быть значительно больше времени пробега звука в кристалле в одном направлении, т. е. волна до поворота её вторым импульсом может испытывать многократные отражения. Такой эффект наблюдается в пьезоэлектрич. порошках. Понижение температуры снижает поглощение УЗ-волн и, следовательно, увеличивает сигнал Э. э.

Рис. 3. Дисперсионные диаграммы, поясняющие образование двухимпульсного (а)и трёхимпульсного (б)электроакустического эха.

Трёхимпульсное эхо наблюдается примерно по такой же схеме, но в этом случае, помимо второго импульса в момент t (рис. 2, б), на кристалл подаётся ещё третий импульс в момент Т с частотой 2w. При этом отклик наблюдается в момент Т+t, Временная структура наблюдаемых в этом случае сигналов более сложна. При этом, как и раньше, первый импульс возбуждает с поверхности пьезоэлектрика УЗ-волны, распространяющиеся по всем направлениям в глубь кристалла. Второй импульс в момент t производит две операции: возбуждает, как и первый, УЗ-волны и меняет на обратное направление распространения акустич. волн, возбуждённых первым импульсом. Т. о., в кристалле навстречу друг другу распространяются прямые и обратные волны, нелинейное взаимодействие к-рых приводит к появлению в пространстве взаимодействия постоянной составляющей, как это следует из дисперсионной диаграммы (рис. 3, б). При наличии в кристалле примесей постоянная составляющая выводит их из состояния равновесия, и т. о. в пространстве фиксируется информация о взаимодействии прямой и обратной волн. Третий импульс в момент времени Т воздействует на неоднородные в пространстве примесные состояния и возбуждает акустич. волну, к-рая от этих примесей распространяется к поверхности кристалла, где благодаря пьезоэффекту восстанавливается в виде электрич. сигнала. При этом время Т должно быть меньше времени релаксации, в течение к-рого восстанавливается равновесное распределение примесей, нарушенное взаимодействием волн. При низких темп-pax время Т может достигать ~ 1 мес.

С физ. точки зрения эффекты двухимпульсного и трёх-импульсного эха подобны явлениям генерации обратной волны и акустич. памяти (см. Акустоэлектроника ).Однако детальная картина Э. э. значительно сложнее. Эксперименты по Э. э. проводят на частотах от неск. десятков МГц до неск. ГГц. В пьезоэлектрич. порошках сигнал отклика возрастает на резонансных частотах частиц порошка. Эффект Э. э. типичен для акустоэлектроники в том смысле, что преобразование электрич. сигналов осуществляется посредством акустич. волн. Он может найти применение в системе обработки радиосигналов.

Знаете ли Вы, что в 1974 - 1980 годах профессор Стефан Маринов из г. Грац, Австрия, проделал серию экспериментов, в которых показал, что Земля движется по отношению к некоторой космической системе отсчета со скоростью 360±30 км/с, которая явно имеет какой-то абсолютный статус. Естественно, ему не давали нигде выступать и он вынужден был начать выпуск своего научного журнала "Deutsche Physik", где объяснял открытое им явление. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.