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, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.