Поверхностные акустические волны

Пове́рхностные акусти́ческие во́лны (ПАВ) — упругие волны, распространяющиеся вдоль поверхности твёрдого тела или вдоль границы с другими средами. ПАВ подразделяются на два типа: с вертикальной поляризацией и с горизонтальной поляризацией (волны Лява).

Типичное ПАВ устройство, в основе которого применяется встречно-гребенчатый преобразователь, используемое в качестве полосового фильтра[1]. Поверхностная волна генерируется слева через приложение переменного напряжения через проводники, изготовленные печатным методом. При этом электрическая энергия преобразуется в механическую. Двигаясь по поверхности механическая высокочастотная волна меняется. Справа — приёмные дорожки снимают сигнал, при этом происходит обратное преобразование механической энергии в переменный электрический ток, через нагрузочный резистор.

К наиболее часто встречающимся частным случаям поверхностных волн можно отнести следующие:

Волны Рэлея (или рэлеевские), в классическом понимании распространяющиеся вдоль границы упругого полупространства с вакуумом или достаточно разреженной газовой средой.
Затухающие волны рэлеевского типа на границе твердого тела с жидкостью.
Незатухающая волна с вертикальной поляризацией, бегущая по границе жидкости и твердого тела
Волна Стоунли, распространяющаяся вдоль плоской границы двух твердых сред, модули упругости и плотности которых не сильно различаются.
Волны Лява — поверхностные волны с горизонтальной поляризацией (SH типа), которые могут распространяться в структуре «упругий слой на упругом полупространстве».

Волны Рэлея

Волны Рэлея, теоретически открытые Рэлеем в 1885 году[2], могут существовать в твердом теле вблизи его свободной поверхности, граничащей с вакуумом. Фазовая скорость таких волн направлена параллельно поверхности, а колеблющиеся вблизи неё частицы среды имеют как поперечную, перпендикулярную поверхности, так и продольную составляющие вектора смещения. Эти частицы описывают при своих колебаниях эллиптические траектории в плоскости, перпендикулярной поверхности и проходящей через направление фазовой скорости. Указанная плоскость называется сагиттальной. Амплитуды продольных и поперечных колебаний уменьшаются по мере удаления от поверхности вглубь среды по экспоненциальным законам с различными коэффициентами затухания. Это приводит к тому, что эллипс деформируется и поляризация вдали от поверхности может стать линейной. Проникновение волны Рэлея в глубину звукопровода составляет величину порядка длины поверхностной волны. Если волна Рэлея возбуждена в пьезоэлектрике, то как внутри него, так и над его поверхностью в вакууме будет существовать медленная волна электрического поля, вызванная прямым пьезоэффектом.

Применяются в сенсорных дисплеях с поверхностными акустическими волнами. [3]

Затухающие волны рэлеевского типа

Затухающие волны рэлеевского типа на границе твердого тела с жидкостью.

Незатухающая волна с вертикальной поляризацией

Незатухающая волна с вертикальной поляризацией, бегущая по границе жидкости и твердого тела со скоростью звука в данной среде.

Волна Стоунли

Волна Стоунли, распространяющаяся вдоль плоской границы двух твердых сред, модули упругости и плотности которых не сильно различаются.

Волны Лява

Волны Лява — поверхностные волны с горизонтальной поляризацией (SH типа), которые могут распространяться в структуре упругий слой на упругом полупространстве.

Поверхностные акустические волны в пьезоэлектриках

Поверхностные акустические волны в пьезоэлектриках (линейная среда) полностью характеризуются уравнениями для смещений U_i и потенциала φ[4]:

T_{ij}=C_{ijkl}S_{kl}-e_{kij}E_{k},

D_{i}=\varepsilon _{ij}E_{j}+e_{ijk}S_{jk},

S_{kl}={\frac {1}{2}}\left({\frac {\partial U_{k}}{\partial x_{l}}}+{\frac {\partial U_{l}}{\partial x_{k}}}\right),

E_{i}=-{\frac {\partial \phi }{\partial x_{i}}},

\rho {\frac {\partial ^{2}U_{i}}{\partial t^{2}}}={\frac {\partial T_{ik}}{\partial x_{k}}},

где T, S — тензоры напряжений и деформаций; E, D — векторы напряженности и индукции электрического поля; C, e, ε — тензоры модулей упругости, пьезомодулей и диэлектрической проницаемости соответственно; ρ — плотность среды.

Примечания

Например, фильтры на поверхностных акустических волнах для электроники цветных стационарных телевизионных приёмников.
Lord Rayleigh. On Waves Propagated along the Plane Surface of an Elastic Solid (англ.) // Proc. London Math. Soc. : journal. — 1885. — Vol. s1—17, no. 1. — P. 4—11.
«Устройства на поверхностных акустических волнах в системах и средствах связи» А. Багдасарян (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения: 18 января 2008. Архивировано 6 февраля 2008 года.
А. В. Осетров, Нгуен Ван Шо Расчет параметров поверхностных акустических волн в пьезоэлектриках методом конечных элементов Вычислительная механика сплошных сред. – 2011. – Т. 4, № 4. – С. 71-80.

См. также

Волны на воде

Датчики на поверхностных акустических волнах

Ссылки

Физическая энциклопедия, т.3 — М.:Большая Российская Энциклопедия стр.649 и стр.650.

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.

[1] Например, фильтры на поверхностных акустических волнах для электроники цветных стационарных телевизионных приёмников.

[2] Lord Rayleigh. On Waves Propagated along the Plane Surface of an Elastic Solid (англ.) // Proc. London Math. Soc. : journal. — 1885. — Vol. s1—17, no. 1. — P. 4—11.

[3] «Устройства на поверхностных акустических волнах в системах и средствах связи» А. Багдасарян (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения: 18 января 2008. Архивировано 6 февраля 2008 года.

[4] А. В. Осетров, Нгуен Ван Шо Расчет параметров поверхностных акустических волн в пьезоэлектриках методом конечных элементов Вычислительная механика сплошных сред. – 2011. – Т. 4, № 4. – С. 71-80.