Поверхневі АХ Релея. П’єзоефект

1. АКУСТОЕЛЕКТРОНІКА

№2
Поверхневі АХ Релея
П’єзоефект

2. Поверхневі АХ Релея

Незалежне поширення двох типів АХ можливе
лише в необмежених твердих тілах. Як тільки у
середовища з’являється межа розподілу тверде тіло
– повітря, то біля цієї межі повздовжня та поперечна
хвилі стають взаємозалежними, вони не є простими
хвилями, оскільки одночасно містять повздовжню та
одну (чи дві) поперечні компоненти. До таких хвиль
належать поверхневі АХ Релея

3. Поверхневі АХ Релея

4. Поверхневі АХ Релея

5. Поверхневі АХ Релея

З ростом частоти товщина шару , в якому
сконцентровано енергію ПАХ Релея та відбуваються
зміщення вузлів кристалічної гратки, зменшується,
відповідно, зменшується можливість керування
властивостями хвилі, що обмежує застосування
приладів на ПАХ з ростом частоти.

6. Основні властивості ПАХ Релея

7. Основні властивості ПАХ Релея

Чутливість до форми поверхні тіла, вздовж якої ПАХ
Релея поширюються: якщо поверхня достатньо
гладка та її фізичні властивості не змінюються на
відстані декількох довжин хвиль, то хвиля Релея
огинає її без перешкод (в протилежному випадку –
хвиля розсіюється). Це використовується на практиці
в ультразвуковій поверхневій дефектоскопії: по
розсіюванню сигналів від поверхні зразків можна
казати про різного типу поверхневі дефекти, злами
та тріщини.

8. Основні властивості ПАХ Релея

Радіус кривини сильно впливає на
швидкість хвилі та її траєкторію – хвиля
поширюється по гвинтових траєкторіях.
Якщо поверхня має змінну кривину, то на
ній (як на неоднорідності) хвиля буде
зазнавати рефракцію та відхилятися в
область з більшою кривиною (тобто, із
меншим
радіусом
кривини).
При
спеціальному підборі кривини хвиля
рухається, як в хвилеводі. Такий прилад –
плавний
топографічний
хвилевід
використовується для передачі енергії ПАХ
на великі відстані без значних втрат енергії.

9. Основні властивості ПАХ Релея

Наявність кривини поверхні може
призводити до появи нових типів хвиль,
наприклад, так званих хвиль “шепочущої
галереї”.
Ці
хвилі
поляризовано
паралельно
до
поверхні
та
перпендикулярно напрямку поширення.
Якісно виникнення таких хвиль можна
пояснити послідовним відбиттям від
опуклої викривленої границі. Назвою
хвиля пов’язана із спостереженням її в
круговій галереї собору Святого Павла в
Лондоні

10. П’єзоелектричний ефект

П’єзоефект – це оборотний електромеханічний
зв’язок між електричною поляризацією (або
електричним
полем)
та
механічними
напруженнями (або деформацією). Він виникає в
деяких діелектриках та напівпровідниках, вперше
спостерігався в кристалах турмаліну, цинкової
обманки, титанату барію, винної кислоти,
тростинного цукру, сегнетової солі, хлорату натрію.

11. Типи п’єзоефекту

• Прямий п’єзоефект. Якщо п’єзоелектрик
вирізати спеціальним чином та піддати
механічному напруженню (стискуванню,
розтягуванню, зсуву), то на його поверхні
з’являються
електричні
заряди,
які
обумовлюють поляризацію. Ці заряди
виникають навіть у відсутності зовнішнього
електричного поля; отже: причина –
деформація, наслідок – електричне поле.
• Зворотній п’єзоефект. Якщо п’єзоелектрик
внести в електричне поле, то в ньому виникає
механічна деформація, що лінійно залежить
від напруженості електричного поля. Такі
пружні
деформації
(акустичні
хвилі)
виникають навіть у відсутності спеціально
створених зовнішніх деформацій. Отже:
причина – електричне поле, наслідок –
деформація.

12. Механізм п’єзоефекту

Виникає в іонних кристалах,
оскільки підгратки, що містять
позитивні та негативні іони,
деформуються під дією зовнішніх
сил по-різному. Як наслідок, на
поверхні кристалу в різних місцях
можуть з’являтися електричні
заряди різних знаків. Розглянемо
механізм п’єзоефекту на прикладі
кварцу SiO2 (модель запропонував
Мейснер), в якому елементарна
комірка електрично нейтральна та
не має дипольного електричного
моменту.

13. Прямий п’єзоефект

Прикладемо до елементарної комірки
силу стискання вздовж вісі X1 двома
пластинами. Верхній іон кремнію
“вклинився” між іонами кисню, а
нижній іон кисню “вклинився” між
двома іонами кремнію. Як результат, на
верхній
обкладинці
з’явився
негативний заряд, а на нижній –
позитивний. Отже, при прямому
п’єзоефекті під дією механічних
напружень (стискання, розтягування,
зсуву) іони в вузлах кристалічної гратки
незначно зміщуються. Це призводить
до виникнення (чи зміни) дипольного
моменту
елементарної
комірки
кристалічної гратки.

14. Зворотний п’єзоефект

Якщо на пластину В прикладемо
позитивні заряди, а на пластину А –
негативні, то маємо наступне: верхній
іон кремнію притягнеться до пластини
А, нижні іони кисню – до пластини В, в
результаті
елементарна
комірка
витягнеться в напрямку вісі Х1. Отже,
при зворотному п’єзоефекті під дією
електричного
поля
відбуваються
незначні
переміщення
вузлів
кристалічної гратки, змінюються середні
відстані між ними, тобто виникає
деформація.

15. Рівняння п’єзоефекту

16. Рівняння п’єзоефекту

П’єзокераміка
П’єзоелектрики
Кварц
SiO2
Дігідрофосфат
амонію
0,095
0,98
Сульфат
літію
CdLi
0,30
Сегнетова
сіль
0,65
Ніабат літію
LiNbO3
Титанат
барію
BaTiO3
Титанат барію
та кальцію
0,24 0,32
0,2 0,5
0,07 0,17

17. Дякую за увагу!