Поверхностные акустические волны

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.

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).

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 Стонли, 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

Основная статья: 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 нее 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][нет в источнике 321 день]}

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

Волна Стонли

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

Волны Лява

Основная статья: 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

Основная статья: 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

1. ↑ Например, фильтры на поверхностных акустических волнах для электроники цветных стационарных телевизионных приёмников.
2. ↑ Lord Rayleigh (1885). «On Waves Propagated along the Plane Surface of an Elastic Solid». Proc. London Math. Soc. s1-17 (1): 4–11.
3. ↑ «Устройства на поверхностных акустических волнах в системах и средствах связи» А. Багдасарян
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. [1]

См. также

Волны на воде

Ссылки

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