ультразвукових хвиль у різних середовищах

Мета роботи: ознайомитися з явищем прямого і зворотного п'єзоефекту, розрахувати параметри ультразвукових хвиль і дослідити механізм створення ліній затримки.

Прилади і обладнання: генератор високочастотних коливань, осцилограф, зразки (кераміка, кварцове скло, оргскло), п’єзоперетворювачі.

 

Механічне стиснення п'єзоелектрика призводить до виникнення на поверхні вільних зарядів, що супроводжується виникненням різниці потенціалів. Якщо на поверхню кристала нанести електроди і замкнути ланцюг, то можна отримати струм і таким чином перетворити механічну енергію в електричну. При розтягуванні матеріалу заряди на поверхнях будуть протилежні за знаком тим, які були при стисненні. При подачі до п’єзоелектрику ззовні різниці потенціалів через індуковану поляризацію розміри п'єзоелектрика будуть збільшуватися при збільшенні поляризації і зменшуватися при її зменшенні, тобто виходить перетворення електричної енергії в механічну. Це використовується в ультразвукових ліній затримки.

Швидкість поширення звукових хвиль на 5-6 порядків менше, ніж електромагнітних. Тому відрізок, який пробігає звуковий імпульс за певний час, у стільки ж разів менше шляху, пройденого електромагнітним імпульсом. В перетворенні електричного імпульсу в ультразвуковій і потім безпосередньо назад в електричний, полягає можливість затримки електричного сигналу на короткому відрізку. Електричний імпульс від генератора 1, що підлягає затримці (рис. 9.1) підводиться до першого перетворювача 2 і перетворюється на звуковий імпульс, який пробігає зі швидкістю звуку v_зв відрізок лінії L. В кінці лінії з допомогою другого перетворювача він знову перетвориться в електричний сигнал та підсилюється підсилювачем 3, який має високий вхідний опір (не менше 1 МОм).

П'єзоелектричні пристрої виконують роль ліній затримки в блоках обробки кольорових сигналів в телевізорах, акустоелектронних підсилювачів, фільтрів, пристроїв акустичної пам’яті та ін.

 

1 – джерело сигналу, 2- п’єзоперетворювачі, 3-підсилювач;

Рисунок 9.1- Схема УЛЗ

 

 

 

Рисунок 9.2 - Зображення ультразвукових ліній затримки на

принципових схемах

 

Порядок виконання роботи

В ультразвукових лініях затримки використовується як прямий, так і зворотний п'єзоефект. Електричний сигнал з виходу генератора високочастотних коливань подається на п’єзовипромінювач, який збуджує коливання в зразку. Ці коливання й уловлюються п’єзоперетворювачем, на виводах якого виникають електричні коливання тієї ж частоти, але з затримкою на час проходження акустичної хвилі в кристалі.

1. За допомогою осцилографа визначити час затримки сигналу в кожному із запропонованих зразків.

2. Штангенциркулем виміряти параметри зразка і розрахувати швидкість поширення ультразвуку в кожному із зразків.

Нехай звукова хвиля потрапляє на межу розділу двох середовищ. Частина хвилі відбивається, а частина заломлюється. Заломлена хвиля може повністю поглинутись у другому середовищі, а може вийти з нього. Коефіцієнт проникнення звукової хвилі дорівнює відношенню інтенсивності заломленої хвилі в другому середовищі до інтенсивності її в першому середовищі. Релей показав, що якщо хвильовий опір другого середовища досить великий порівняно з хвильовим опором першого, то коефіцієнт проникнення звуку можна обчислити за формулою:

β =С1ρ1•100%/С2ρ2,

де С-швидкість хвилі в середовищі, ρ - щільність середовища, С•ρ=р [кг•м^-2•с^-1] - хвильовий опір.

3. Обчислити коефіцієнт проникнення звукової хвилі при 20⁰ С з повітря речовини (таблиця 9.1) за формулою:

β =4С1ρ1/С2ρ2•100%,

де С-швидкість хвилі в середовищі, ρ - щільність середовища, С•ρ=р [кг•м^-2•с^-1] - хвильовий опір.

 

№ п/п	Речовина	Хвильовий опір р [кг·м^-2·с^-1]	Коефіцієнт проникнення звукової хвилі β, %
	Залізо	40 000 000
	Бетон	4 800 000
	Вода	1 440 000
	Резина	60 000
	Повітря
	Масло	1 350 000

 

4. Побудувати діаграму для речовин за величиною коефіцієнта проникнення звукової хвилі.

 

Зміст звіту

1 Формулювання мети і завдання роботи.

2 Короткий опис принципу дії і області застосування ліній затримки на основі ультразвукових хвиль.

3 Таблиця з результатами розрахунку швидкості поширення ультразвукових хвиль у запропонованих зразках.

4 Таблиця і діаграма залежності коефіцієнта проникнення звукової хвилі для різних речовин.

5 Висновки по роботі.

 

Контрольні питання

1. Складові частини п'єзоелектричних пристроїв функціональної електроніки.

2. Застосування п'єзоелектричних пристроїв функціональної електроніки.
3. Прямий і зворотний п'єзоефект.

4. Принцип роботи ультразвукових ліній затримки.

5. Параметри, властивості і характеристики ультразвукових хвиль.

РЕКОМЕНДОВАНА ЛІТЕРАТУРА

а) Базова

1. Щука А.А. Электроника. Учебное пособие / Под ред. проф. А. С. Сигова.

СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 800 с.

2. Свєчніков С.В. Функціональна електроніка, її структура й завдання \\ Вісн. АН УРСР. 1987. №9.

3. Васенков А.А., Федотов Я.А. Функциональная электроника. Основные направления работ \\ Электрон. Пром-сть 1983. №8.

б) Допоміжна

1. Электроника: прошлое, настоящее, будущее: Пер. с англ. \ Под ред. В.И. Свиридова. М., 1980.

2. Митрофанов О.В., Симонов Б.М., Коледов Л.А. Физические основы функционирования изделий микроэлектроники. М., 1987.

3. Ефимов И.Е. Современная микроэлектроника. М., 1993.

4. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. М., 1980.

5. Тилл У., Лаксон Дж. Интегральные схемы: материалы, приборы, изготовление. М., 1992.

6. Акеев А.А., Майоров С.А. Оптические методы обработки информации. М., 1988.

7. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. М., 1997.

8. Аблеков В.К., Зубков П.И., Фролов А.В. Оптическая и оптоэлектронная обработка информацтт. М., 1986.

9. Пространственные модуляторы света \ Под ред. С. Б. Гуревича. Л., 1987.

10. Носов Ю.Р., Шилин В.А. Основы физики приборов с зарядовой связью. М., 1986.

11. Пресс Ф.П., Вето А.В. Состояние и перспективы развития приборов с зарядовой связью \\ Микроэлектроника и полупроводниковые приборы. М., 1998.

12. Пасынков В.В., Чиркин Л.К. Полупроводниковые приборы. М., 1987.

13. Секен к., Томпсен М. Приборы с переносом заряда. М., 1978.

14. Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. М., 1980.

15. Пожела Ю.К. Плазма и токовые неустойчивости в полупроводниках. М.,1997.

16. Кунилов В.А., Пашинцев Ю.И., Шмелёв С.С. Сверхбыстродействующие устройства функциональной электроники на междолинных полупроводниках \\ Электроню пром-сть. 1993. №8.

17. Новые методы полупроводниковой СВЧ- электроники \ Под ред. В.И. Стафеева. М., 1988.

18. Носов Ю.Р., Сидоров А.С Оптроны и их применение. М., 1981.

19. Осинский В.И. Интегральная оптоэлектроника. Минск, 1997.

20. Свечников С.В. Элементы и принципы оптоэлектроники // Микроэлектроника \ 1991. Вып.4.

21. Свечников С.В. Элементы оптоэлектроники. М., 1981.

22. Поверхностные акустические волны\ Под ред. А. Олинера. М., 1991.

23. Речицкий В.И. Акустоэлектронные радиокомпоненты. М., 1980.