Способ и устройство для поворота плоскости поляризации ультразвуковой волны

 

Изобретение относится к акустоэлектронике и ультразвуковой технике. В управляемом звукопроводе, выполненном из неполяризованной сегнетокерамики с аномально высоким значением диэлектрической проницаемости, линейно поляризованная ультразвуковая волна (УЗ-волна) с частотой ω_o, сформированная в виде пучка преобразователем, взаимодействует с вращающимся вокруг направления ее распространения электрическим полем, частота вращения Ω которого близка к ω_o. Образовавшиеся в результате взаимодействия две циркулярно-поляризованные УЗ-волны распространяются с разными фазовыми скоростями, благодаря чему на выходе звукопровода формируется линейно поляризованная УЗ-волна, плоскость поляризации которой повернута на угол, величина которого пропорциональна ω⁴_o, напряженности Е_o, соотношения ω_o, Ω и параметрам сегнето-керамики и звукопровода. Вращающееся поле формируют с помощью взаимно перпендикулярных пар плоских электродов, на которые подается переменное электрическое напряжение с частотой Ω и со сдвигом фаз π/2. Управление углом поворота осуществляют генератором ультразвуковых частот. Данное технич. решение расширяет динамич. диапазон рабочих частот и возможности в управлении поворотом плоскости поляризации УЗ-волны. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к акустике и ультразвуковой технике и может быть использовано при создании управляемых устройств в акустоэлектронике.

Известно устройство для формирования ультразвукового поля, выполненное в виде преобразователя сдвиговой волны, размещенного на входной торцовой грани управляемого звукопровода, на боковые грани которого нанесены плоские электроды, соединенные с источником переменного напряжения [1]. Однако известное устройство не обеспечивает поворот плоскости поляризации ультразвуковой волны.

Наиболее близок к заявляемому способ поворота плоскости поляризации ультразвуковой волны, в котором ультразвуковую волну в виде пучка вводят в неполяризованную сегнетокерамику с аномально высоким значением диэлектрической проницаемости и воздействуют на пучок электрическим полем, направленным перпендикулярно направлению распространения ультразвуковой волны [2].

В известном способе угол поворота зависит от квадрата напряженности электрического поля. При изменении величины напряженности изменяется и угол поворота. Однако известный способ имеет ограниченный динамический частотный диапазон использования, что выражается в ограничении возможности поворота плоскости поляризации при изменении частоты ультразвуковой волны в реальном масштабе времени. Внешнее электрическое поле из-за эффекта электрострикции показывает влияние на скорость ультразвуковой волны. Вследствие этого ультразвук в сегнетокерамике распространяется в виде суперпозиции двух изонормальных волн, линейно поляризованных по взаимно перпендикулярным осям, имеющим одинаковую амплитуду смещения, но разные фазовые скорости. В силу этого на выходе из зоны воздействия электрического поля между компонентами упругих смещений возникает набег фаз и ультразвуковая волна оказывается эллиптически поляризованной с ориентацией главной оси эллипса, такой же как направление поляризации линейно поляризованной звуковой волны при входе в сегнетокерамику. Для преобразования эллиптически поляризованной волны в линейно поляризованную и обеспечения заданного угла поворота эллиптически поляризованную волну вводят в пластину из кристалла ниобата лития заданной ориентации, толщина которой предопределена частотой ультразвуковой волны. При изменении частоты ультразвуковой волны необходимо заменять старую и устанавливать новую пластину, рассчитанную на новую дискретную частоту. При плавном изменении частоты, несовпадении измененной частоты с расчетной, более быстром изменении частоты, чем замена пластины, заданный поворот плоскости поляризации становится невозможным.

Кроме того, изменение угла поворота в реальном времени в известном способе возможно только за счет изменения напряженности электрического поля, что ограничивает его применение в системах управления.

Наиболее близким к заявляемому является устройство для поворота плоскости поляризации ультразвуковой волны, содержащее преобразователь сдвиговой волны, размещенный на входной торцовой грани управляемого звукопровода, выполненного из неполяризованной сегнетокерамики с аномально высоким значением диэлектрической проницаемости, на боковые грани которого нанесены плоские электроды, соединенные с источником электрического напряжения [2].

В известном устройстве преобразователь сдвиговой волны, управляемый звукопровод и пластина из ниобата лития жестко ориентированы друг относительно друга, а также соединены в единый узел, причем толщина пластины задана рабочей частотой преобразователя сдвиговой волны, в результате чего известное устройство имеет узкий диапазон рабочих частот. Замена пластины из ниобата лития приводит к потере работоспособности устройства. Замена также устанавливает новую дискретную рабочую частоту. В силу этого известное устройство, с одной стороны, не обеспечивает плавную перестройку рабочего частотного диапазона, а с другой имеет ограничения в обеспечении возможности поворота плоскости поляризации при изменении частоты ультразвуковой волны в реальном масштабе времени. В силу вышеуказанных конструктивных особенностей известное устройство не может быть использовано в системах с частотным управлением углом поворота плоскости поляризации. Кроме того, необходимость жесткой ориентации конструктивных элементов создает дополнительные трудности в технологии изготовления, обусловленные необходимостью юстировки.

Согласно изобретению предлагается способ и устройство для поворота плоскости поляризации линейно поляризованной ультразвуковой волны. Технический результат, достигаемый при этом выражается в расширении динамического диапазона рабочих частот и возможностей в управлении поворотом плоскости поляризации ультразвуковой волны.

Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что в способе поворота плоскости поляризации ультразвуковой волны, включающем воздействие поперечного направлению распространения ультразвуковой волны электрического поля на неполяризованную сегнетокерамику с аномально высоким значением диэлектрической проницаемости при распространении в ней акустического пучка, упомянутое воздействие осуществляют вращающимся поперечно направлению распространения ультразвуковой волны электрическим полем, причем частоту вращения вращающегося электрического поля устанавливают в соответствии с неравенством δ²·ω²₀(ω₀-2Ω)²≪ 4·Λ²·Ω²·(ω_e-Ω)², (1) а угол поворота плоскости поляризации связан с параметрами вращающегося электрического поля и частотой ультразвуковой волны выражением где Φ - удельный угол поворота плоскости поляризации ультразвуковой волны на единицу длины кристалла; Λ - модуль упругости неполяризованной сегнетокерамики при отсутствии воздействия электрического поля; изменение модуля упругости неполяризованной сегнетокерамики под действием электрического поля с напряженностью E₀; g₄₄, α₁₅₅ - компоненты тензора линейной и квадратичной электрострикции; ε - относительная диэлектрическая проницаемость неполяризованной сегнетокерамики; ρ - плотность неполяризованной сегнетокерамики;
ω₀ - частота линейно поляризованной ультразвуковой волны;
Ω - частота вращения электрического поля.

Заявляемый способ реализуется с помощью устройства для поворота плоскости поляризации ультразвуковой волны.

Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что устройство для поворота плоскости поляризации ультразвуковой волны, содержащее управляемый звукопровод, выполненный из неполяризованной сегнетокерамики с аномально высоким значением диэлектрической проницаемости и имеющий перпендикулярную и параллельные его оси плоские грани, на последних из которых напротив друг друга установлена пара плоских электродов, преобразователь сдвиговой волны, размещенный на перпендикулярной грани звукопровода, и источник электрического напряжения, соединенный с электродами, дополнительно содержит фазовращатель со сдвигом фазы π/2, управляемый звукопровод снабжен второй парой плоских электродов, установленных напротив друг друга и перпендикулярно первой паре электродов на параллельных гранях звукопровода, причем обе пары плоских электродов электрически изолированы друг от друга и размещены так, что ограничивают секущими плоскостями, проходящими через плоские концы электродов, прямоугольный параллелепипед, перпендикулярные оси звукопровода, грани которого имеют форму квадрата, источник электрического напряжения выполнен в виде генератора переменного напряжения ультразвуковой частоты, выход которого соединен со входом фазовращателя со сдвигом фазы π/2 и с первой парой плоских электродов, а выход фазовращателя со сдвигом фазы π/2 соединен со второй парой плоских электродов.

Согласно предлагаемому способу ультразвуковую волну в виде пучка вводят в неполяризованную сегнетокерамику с аномально высоким значением диэлектрической проницаемости. Керамику при этом подвергают воздействию вращающегося однородного электрического поля, поперечного направлению распространения ультразвуковой волны, другими словами, вектор напряженности которого направлен нормально к волновому вектору ультразвуковой волны. Частота вращения электрического поля Ω должна удовлетворять неравенству (1). В этом случае плоскость поляризации ультразвуковой волны повернется по сравнению с первоначальной ориентацией на угол, определяемый выражением (2). Плавное изменение или установку заданного угла поворота можно осуществить как изменением напряженности вращающегося электрического поля в сегнетокерамике, так и изменением его частоты вращения в пределах ограничений, установленных для фиксированной частоты ω₀ ультразвуковой волны. Частоты Ω при этом определяют на основе выражений (1) - (2), а затем изменяют и устанавливают. Таким образом, можно осуществить частотное управление поворотом плоскости поляризации за счет изменения частоты электрического поля. Частотное управление электрическим полем, как правило, предпочтительнее, поскольку для заданной величины E₀ параметры g₄₄, α₁₅₅ сегнетокерамики и их изменения могут быть рассчитаны теоретически либо взяты по результатам известных экспериментов.

При изменении частоты ультразвуковой волны в пределах, определяемых неравенством (1), при фиксированных E₀ и Ω изменится и угол поворота. Поэтому для сохранения установленного угла поворота изменяют частоту Ω, а если этого недостаточно, то и E₀. Совершенно очевидно, что при установленных E₀ и Ω в пределах, определяемых неравенством (1), можно плавно изменять угол поворота плоскости поляризации, осуществляя тем самым управление поворотом плоскости поляризации за счет изменения частоты ультразвуковой волны ω₀ в реальном масштабе времени.

При рассмотрении изменения частоты ультразвуковой волны как нежелательного явления, например обусловленного непостоянством электрического генератора, питающего пьезопреобразователь, подстройку угла поворота частотой Ω можно рассматривать как фактор, стабилизирующий частоту Ω₀
Таким образом, в заявляемый способ потенциально заложены более широкий динамический диапазон и большие возможности управления углом поворота.

Устройство для реализации способа обеспечивает возможность осуществления операций способа и выбора необходимых параметров. Преобразователь сдвиговой волны обеспечивает формирование ультразвукового пучка с заданной ориентацией плоскости поляризации. Параллельные плоские электроды обеспечивают формирование двух взаимно ортогональных однородных электрических полей, которые при сдвиге фаз π/2 обеспечивают формирование и воздействие на сегнетокерамику вращающегося электрического поля. Фазовращатель обеспечивает сдвиг фаз между напряжениями, подаваемыми на пары электродов на π/2. Генератор переменного электрического напряжения формирует заданную частоту, равную частоте вращения вращающегося электрического поля Ω. Вышеупомянутое расположение электродов и граней обеспечивает перпендикулярность распространения волны и вращающегося поля и необходимую длину зоны его воздействия, определяемую длиной звукопровода, а точнее - длиной параллельных электродов. Форма зоны воздействия электрического поля - прямоугольный параллелепипед, ограниченный парами плоских электродов. Регулирование угла поворота осуществляется изменением частоты генератора переменного напряжения, ультразвуковой диапазон которого необходим для обеспечения условия (1), а также за счет регулирования амплитуды его напряжения. Интересен момент, когда вынужденно изменяют частоту электрического напряжения, питающего преобразователь сдвиговой волны. В этом случае реализуется режим управления поворотом плоскости поляризации за счет изменения частоты пьезопреобразователя, т.е. ультразвуковой волны.

В основу заявляемого способа положено явление поворота плоскости поляризации ультразвуковой волны. Суть явления в том, что линейно поляризованная ультразвуковая волна, распространяясь в неполяризованной сегнетокерамике с аномально высоким значением диэлектрической проницаемости, подвергающейся воздействию вращающегося поперек направления распространения с частотой, близкой к частоте ультразвуковой волны, электрического поля, претерпевает поворот плоскости поляризации, обусловленный расщеплением ультразвуковой волны в зоне воздействия электрического поля на право- и левовращающиеся циркулярно-поляризованные ультразвуковые волны, распространяющиеся с разными фазовыми скоростями.

Рассмотрим распространение сдвиговой упругой волны вдоль оси Z в электрическом поле с компонентами
E_x= E₀cosΩt;E_y= E₀sinΩt,E_z= 0.
В результате суперпозиции взаимно перпендикулярных однородных электрических полей, изменяющихся во времени по гармоническому закону с относительным сдвигом фаз π/2, внутри звукопровода возникает нестационарное электрическое поле, вектор напряженности которого вращается с течением времени вокруг оси звукопровода в плоскости XY с частотой Ω, равной частоте напряжения, вырабатываемого генератором.

Внешнее электрическое поле из-за эффекта электрострикции оказывает влияние на акустические свойства звукопровода из неполяризованной сегнетокерамики, в результате чего распространение упругой волны с вектором смещения будет описываться уравнением
(3)
здесь
ρ - плотность снегнетокерамики;
- тензор упругих постоянных, учитывающий воздействие внешнего электрического поля;
изменение модуля упругости под действием электрического поля с напряженностью E₀;
g₄₄, α₁₅₅ - компоненты тензора линейной и квадратичной электрострикции;
E₀ и Ω - амплитуда и частота вращения внешнего электрического поля;
матрица поворота вокруг оси Z на угол Ωt ε - диэлектрическая проницаемость керамики. Используя методику, предложенную в [3, 4] решения уравнения движения (3) будем искать в виде связанных между собой плоских монохроматических волн

имеющих одинаковые волновые числа k(ω), различные частоты ω±Ω и противоположные циркулярные поляризации, задаваемые векторами где орты лабораторной декартовой системы координат. Подставляя выражение (4) в уравнение (3) и учитывая явный вид тензора упругости Λ(t), получаем систему линейных однородных уравнений. Приравнивая к нулю определитель полученной системы, находим волновые числа собственных мод (4) акустического поля

Если выполняется неравенство
4δ²(ω+Ω)²(ω-Ω)²≪ Λ²[(ω-Ω)-(ω+Ω)²]²
или для частоты падающей акустической волны ω₀, когда ω = ω₀-Ω:
δ²ω²₀(ω₀-2Ω)²≪ 4Λ²Ω²(ω₀-Ω)²
собственные моды являются циркулярно поляризованными и имеет место поворот плоскости поляризации ультразвука на угол

Отсюда находим Φ = ν/L - удельный поворот плоскости поляризации ультразвуковой волны (см. выражение (2), где L - длина области воздействия вращающегося электрического поля.

Например, в сегнетокерамиках с аномально высоким значением диэлектрической проницаемости относительное изменение фазовой скорости ультразвука ΔV/V под действием электрического поля достигает значения порядка 5 - 10%. В частности, для сегнетокерамики на основе титаната бария с параметрами Λ = 10¹¹ н/м² = 10¹² дин/см², ρ = 5,7·10³ кг/м³ = 5,7 г/см³, ε = 6,8·10³, α₁₅₅ = 6,46·10⁹ ед. СГСЭ, g₄₄ = 10⁶ ед. СГСЭ [6, 7] при напряженности электрического поля E₀ = 4 кВ/см = 13 ед. СГСЭ получаем δ ≈ 5·10¹⁰ ед. СГСЭ, то есть ΔV/V = δ/Λ = 5% . При этом удельный поворот плоскости поляризации ультразвука с частотой ω₀= 10⁸ Гц, индуцированный электрическим полем, вращающимся с частотой Ω = 0,9·10⁸ Гц, составляет Φ = 0,44 рад/см.

При изменении частоты ультразвуковой волны ω₀ для сохранения значения угла поворота плоскости поляризации можно изменять частоту вращения электрического поля Ω. Для Φ = 0,44 рад/см Ω устанавливают следующим образом
ω₀ · 10⁸ Гц - Ω · 10⁸ Гц
1 - 0,9
1,1 - 0,977
1,2 - 1,05
1,3 - 1,12
1,4 - 1,19
1,5 - 1,25
1,6 - 1,30
1,7 - 1,36
1,8 - 1,40
1,9 - 1,43
2 - 1,46
На фиг. 1 изображена электрическая схема устройства, на фиг. 2 - его акустоэлектрический узел (вид спереди), на фиг. 3 - акустоэлектрический узел устройства (вид сбоку).

Устройство для поворота плоскости поляризации ультразвуковой волны содержит акустоэлектрический узел 1, фазовращатель со сдвигом фазы π/2 2 и генератор переменного электрического напряжения ультразвуковой частоты 3, причем выход генератора 3 соединен со входом фазовращателя 2 и первым входом акустоэлектрического узла, а выход фазовращателя 2 соединен со вторым входом акустоэлектрического узла. Акустоэлектрический узел 1, выполнен в виде управляемого звукопровода 4, выполненного из неполяризованной сегнетокерамики с аномально высоким значением диэлектрической проницаемости и имеющего форму прямоугольного параллелепипеда, на параллельных противоположных оси звукопровода гранях которого установлены напротив друг друга плоские электроды 5, 6, образующие соответственно первую и вторую пары электродов. При этом электроды 5, 6 электрически изолированы друг от друга и размещены на гранях в виде прямоугольных пластин таким образом, что образуют с секущими плоскостями, проходящими через их концы, прямоугольный параллелепипед, перпендикулярные оси звукопровода грани которого имеют форму квадрата. На фигуре 2 квадрат ограничен пунктиром. На торцовой перпендикулярной оси грани звукопровода размещен преобразователь сдвиговой волны 7. Первая пара электродов 5 подсоединена через первый вход акустоэлектрического узла к выходу генератора 3, а вторая пара электродов 6 подсоединена через второй вход узла 1 к выходу фазовращателя 2. Соединение пар электродов 5, 6 с генератором 3 и фазовращателем 2 осуществлено посредством коаксиальных кабелей, причем центральный проводник каждого кабеля соединен с одним электродом пары, а экранирующий - со вторым. Указанное взаимное расположение пар электродов 5, 6 на звукопроводе 4 и подсоединения их к фазовращателю 2 и генератору 3 обеспечивают при работе устройства постоянство амплитуд и постоянство сдвига фаз подаваемых на электроды электрических напряжений.

Устройство работает следующим образом. Преобразователь 7 возбуждает сдвиговые линейно поляризованные с определенной ориентацией ультразвуковые волны с частотой ω₀ и направляет их в виде пучка в управляемый звукопровод 2 параллельно его оси. При отсутствии напряжения на электродах 5, 6 поперечная волна распространяется с сохранением ориентации плоскости поляризации. С помощью генератора переменного электрического напряжения 3 и фазовращателя 2 подают на пластины 5, 6 переменное электрическое напряжение, причем электрическое напряжение, подаваемое на первую пару плоских электродов 5, отличается по фазе на π/2 от напряжения, подаваемого на вторую пару плоских электродов 6 от фазовращателя 2. При этом в результате суперпозиции однородных взаимно перпендикулярных электрических полей, изменяющихся во времени по гармоническому закону с относительным сдвигом фаз π/2, внутри звукопровода 4 возникает вращающееся вокруг оси звукопровода 4 нестационарное электрическое поле, вектор напряженности которого вращается с течением времени вокруг оси звукопровода 4 с частотой Ω. Частота Ω предварительно устанавливается на генераторе переменного электрического напряжения 3, так же как и амплитуда переменного электрического напряжения. Вращающееся электрическое поле из-за эффекта электрострикции оказывает влияние на акустические свойства неполяризованной сегнетокерамики. В результате этого ультразвуковая волна расщепляется в звукопроводе 4 на две циркулярно-поляризованные волны, имеющие одинаковую амплитуду смещения, разные фазовые скорости и противоположные направления вращения. Это приводит к появлению разности фаз между право- и левоциркулярными компонентами упругих смещений. При выходе из зоны действия вращающегося электрического поля, то есть на выходной грани управляемого звукопровода 4, циркулярно-поляризованные волны складываются, образуя линейно поляризованную ультразвуковую волну, направление поляризации которой оказывается повернутым относительно первоначального на удельный угол, величина которого определяется выражением (2). Зная длину звукопровода 4, определяют величину угла поворота. При изменении частоты Ω с помощью генератора 3 в пределах, определяемых выражением (1), обеспечивается возникновение и сохранение право- и левовращающихся циркулярно поляризованных ультразвуковых волн и разными фазовыми скоростями, причем разность фаз между которыми, а значит и угол поворота плоскости поляризации определяется, прежде всего, разностью частот ω₀ и Ω и длиной звукопровода L. Изменением амплитуды переменного электрического напряжения, задаваемого генератором 3, можно увеличить или уменьшить угол поворота. При этом пропорционально изменяется величина δ, определяющая изменение модуля упругости неполяризованной сегнетокерамики под действием электрического поля с напряженностью E₀.

Как следует из выражения (2), поворот плоскости поляризации не зависит от ее первоначальной ориентации. В отношении устройства это упрощает юстировку акустоэлектрического узла, обеспечивающего взаимодействие ультразвуковой волны с электрическим полем, поскольку первоначальная ориентация плоскости поляризации в этом случае определяется фиксацией положения преобразователя сдвиговых волн.

Источники информации:
1. Авторское свидетельство СССР N 447174, B 06 B 1/06, 1974.

2. Авторское свидетельство СССР N 1278038, B 06 B 1/06, 1986.

3. Семченко И.В., Сердюков А.Н. Журнал прикладной спектроскопии. - 1984, т. 41, N 5, с. 827.

4. Белый В.Н., Севрук Б.Б. Журнал технической физики.- 1987, т. 57, N 2, с. 336.

5. Федоров Ф.И. Теория гиротропии. - Минск: Наука и техника, 1976.

6. Пекар С.И., Демиденко А.А., Здебский А.П., Чванец В.А., Писковой В.Н. , Черкас Н.С. Докл. АН СССР. - 1976, т. 230, с. 1089.

7. Жабитенко Н.К., Кучеров И.Я. Укр. физ. журнал. - 1978, т. 23, N 2, с. 263о

Формула изобретения

1. Способ поворота плоскости поляризации ультразвуковой волны, заключающийся в воздействии поперечного направлению распространения ультразвуковой волны электрического поля на неполяризованную сегнетокерамику с аномально высоким значением диэлектрической проницаемости при распространении в ней акустического пучка, отличающийся тем, что частоту вращения электрического поля и угол поворота плоскости поляризации устанавливают в соответствии с выражениями
δ²ω²₀(ω₀ - 2Ω)² << 4Λ²Ω²(ω₀ - Ω)²;

где Φ - удельный угол поворота плоскости поляризации ультразвуковой волны на единицу длины кристалла;
Λ - модуль упругости неполяризованной сегнетокерамики при отсутствии воздействия электрического поля;

- изменение модуля упругости неполяризованной сегнетокерамики под действием электрического поля с напряженностью Е₀;
g₄₄, α₁₅₅ - компоненты тензора линейной и квадратичной электрострикции;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость неполяризованной сегнетокерамики;
ρ - плотность неполяризованной сегнетокерамики;
ω₀ - частота линейно-поляризованной ультразвуковой волны;
Ω - частота вращения электрического поля.

2. Устройство для поворота плоскости поляризации ультразвуковой волны, включающее управляемый звукопровод, выполненный из неполяризованной сегнетокерамики с аномально высоким значением диэлектрической проницаемости и имеющий перпендикулярную и параллельные его оси плоские грани, на последних из которых друг напротив друга установлена пара плоских электродов, преобразователь сдвиговой волны, размещенный на перпендикулярной грани звукопровода, и источник электрического напряжения, соединенный с электродами, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит фазовращатель со сдвигом фазы π/2, управляемый звукопровод снабжен второй парой плоских электродов, установленных друг напротив друга и перпендикулярно первой паре электродов на параллельных гранях звукопровода, причем обе пары плоских электродов электрически изолированы друг от друга и размещены так, что ограничивают секущими плоскостями, проходящими через плоские концы электродов, прямоугольный параллелепипед, перпендикулярные оси звукопровода грани которого имеют форму квадрата, источник электрического напряжения выполнен в виде генератора переменного напряжения ультразвуковой частоты, выход которого соединен с входом упомянутого фазовращателя и с первой парой электродов, а выход фазовращателя соединен с второй парой электродов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3