популярно о природе звука

Ультразвук в электронике

Всем хорошо знакомы процессы преобразования звука в электромагнитные колебания и наоборот.Задержка электрических сигналов  в радиоэлектронных схемах осуществляется путем преобразования их в ультразвуковые сигналы, которые затем распространяются в элементах, изготовленных из соответствующего материала.

Но пока мы еще почти ничего не знаем об использовании ультразвуковых элементов в электронных системах. А ведь подобные элементы позволили бы уменьшить электронную схему до размеров песчинки. В настоящее время в этой области уже достигнуты некоторые успехи. Ультразвуковая линия задержки состоит из маленького вибратора (аналога громкоговорителя), возбуждаемого микроволновым или радиочастотным сигналом от электронной цепи; узкой полоски соответствующего материала, через которую колебания распространяются в виде акустических волн, и приемника (аналога микрофона), где звуковые волны вновь преобразуются в электрический сигнал и направляются в электронную цепь. В микроволновой системе (например, в радиолокационной установке) такое ультразвуковое устройство будет занимать лишь крошечную долю сантиметра. И что более важно, технологически его можно изготовить так же, как и другие элементы микросхемы. А это облегчает проблему согласования между элементами схемы.

Однако уместно задать вопрос, зачем вообще нужны все эти переходы от электроники к акустике и обратно? Ответ на него прост: нередко целесообразно использовать волны, распространяющиеся в твердом теле медленнее, чем электромагнитные. Известно, что если за какой-то фиксированный промежуток времени акустическая волна проходит в кристалле, например в сапфире, 1 см, то электромагнитные волны за это же время могут пройти по волноводу около 1000 м. Это очень существенно во многих установках, в частности в радиолокационных и телевизионных, а также в любых других цепях, где электрические сигналы необходимо сохранять в течение какого-то времени, чтобы потом их можно было сравнивать с сигналами, пришедшими после, уплотнять, задерживать и отфильтровывать от массы разнообразных электромагнитных помех. Вот тогда и возникает необходимость задержать сигнал в цепи на несколько микросекунд. Наиболее общепринятый путь задержки сигнала - заставить его пройти несколько сантиметров, а иногда даже несколько метров по кольцевому волноводу. Но такие приспособления оказываются громоздкими. Например, в телевизоре волновод достигает размеров теннисного мяча. В настоящее время возникла новая область акустической электроники, известная как микрозвуковая или микроволновая гиперзвуковая электроника. Теперь стало возможным заменять привычные волноводы дешевыми деталями, изготовленными из крошечных кусочков кремния. Такие элементы составляют единое целое с остальной микроэлектронной схемой.

Однако детальные исследования работы самих акустических  элементов  начались  совсем  недавно. Наиболее интересные эксперименты дали толчок развитию акустики поверхностных волн. В первых опытах для передачи электрических сигналов использовали продольные объемные акустические волны. Но такие волны очень трудно регистрировать. Поэтому сейчас для этой цели применяются сдвиговые волны, которые распространяются вдоль поверхности твердотельного волновода.

Что же представляют собой поверхностные сдвиговые волны и чем они отличаются от обычных звуковых волн? Звуковые волны часто сравнивают с волнами, возникающими на поверхности пруда после того, как в него бросили камень. Развивая дальше эту аналогию, можно сказать, что поверхностные сдвиговые волны похожи на волны, создающиеся на поверхности пруда после того, как в него бросили скрученный из бумаги шар. Энергия волны сдвига в твердом теле экспоненциально падает с расстоянием. Она сосредоточена в поверхностном слое толщиной в одну длину волны. Обычные звуковые волны представляют собой набор волн различных частот. Распространяясь в среде, они испытывают дисперсию, то есть происходит разложение волны на составляющие ее частотные компоненты, так как в среде скорость волны и ее затухание сильно зависят от частоты. В отличие от обычных волн поверхностные сдвиговые волны любой частоты распространяются с малым затуханием и с одной и той же скоростью - дисперсия их ничтожна. Если мы хотим разделять такие волны на составляющие их частотные компоненты, то это можно сделать, нанося тонкие пленки различных материалов на поверхность образца. Подобная операция позволяет специалистам управлять прохождением волн.

Типичный элемент, работающий на основе поверхностных сдвиговых волн и предназначенный для задержки сигналов, состоит из слоя кремния, нанесенного на сапфир. На входном торце такого элемента находится крошечный пьезоэлектрический преобразователь, который превращает осциллирующие электрические сигналы в механические колебания; на выходе - приемник, регистрирующий сигналы. В настоящее время считается, что на основе использования поверхностных волн можно построить такие стандартные электронные приборы, как усилители, фильтры, преобразователи частоты. Тогда операции, которые в настоящее время либо невыполнимы, либо производятся с большим трудом, например возвращение сигналов с выхода на вход или смешивание одного сигнала с другим, можно было бы легко осуществлять в микрозвуковых элементах. Элементы подобного рода позволят изготавливать дешевые и миниатюрные электронные схемы.