Содержание страницы
Акустоэлектрические материалы — это материалы, которые способны взаимодействовать с акустическими волнами (механическими колебаниями) и электрическими полями. В таких материалах возникают различные явления, такие как пьезоэлектрический эффект, электрострикция и магнитоакустические эффекты. Эти явления позволяют использовать акустоэлектрические материалы в различных приложениях, включая преобразование энергии, датчики и устройства для обработки сигналов.
1. Пьезоэлектрический эффект
Пьезоэлектрические материалы генерируют электрический заряд при механическом напряжении (деформации). Это позволяет использовать их для создания датчиков и преобразователей, где акустические или механические колебания могут быть преобразованы в электрические сигналы. Обратно, при приложении электрического поля такие материалы изменяют свою форму. Это свойство широко используется в ультразвуковых устройствах, сенсорах давления и ускорения.
Примеры пьезоэлектрических материалов:
- Кварц
- Пьезокерамика на основе титана или цирконата свинца (например, PZT)
- Титанат бария
2. Электрострикция
Электрострикционные материалы изменяют свои размеры или форму при воздействии электрического поля, но в отличие от пьезоэлектрических материалов, этот эффект не зависит от направления поля. Это делает электрострикционные материалы полезными в системах, где требуется высокая точность и устойчивость к внешним воздействиям. Они могут быть использованы в высокочастотных ультразвуковых преобразователях и адаптивных системах, например, в точных лазерных технологиях.
Примеры электрострикционных материалов:
- Титанат свинца
- Цирконат-титанат свинца
3. Магнитоакустические эффекты
Магнитоакустические материалы взаимодействуют с акустическими волнами в присутствии магнитного поля. Это позволяет использовать их в устройствах, которые могут изменять параметры акустических волн, такие как скорость распространения волн, в ответ на изменение магнитного поля. Такие материалы находят применение в фильтрах и резонаторах для радиочастотных и микроволновых технологий.
Примеры магнитоакустических материалов:
- Ферриты (например, железо-иттриевый гранат)
4. Применения акустоэлектрических материалов
-
Ультразвуковые устройства: Пьезоэлектрические материалы широко используются для создания ультразвуковых преобразователей в медицинской диагностике (например, в УЗИ), а также в неразрушающем контроле материалов.
-
Фильтры и резонаторы: В радиочастотных технологиях акустоэлектрические материалы применяются для создания фильтров и резонаторов, которые используют поверхностные акустические волны. Эти устройства используются в телекоммуникациях и радиосвязи.
-
Сенсоры и датчики: Пьезоэлектрические материалы используются в сенсорах давления, ускорения и вибраций. Они находят широкое применение в автомобилестроении, аэрокосмической промышленности и промышленных системах автоматизации.
-
Акустооптические устройства: В устройствах, которые используют свет, акустоэлектрические материалы могут управлять прохождением света через изменение акустических волн, создавая модуляторы и фильтры для лазерных систем.
5. Перспективы развития
Современные исследования направлены на улучшение характеристик акустоэлектрических материалов, создание новых композитных материалов, а также на разработку гибридных систем, которые могут интегрировать акустические и электрические эффекты. Особое внимание уделяется созданию материалов с улучшенными механическими и электрическими свойствами, что позволяет разрабатывать более эффективные и точные устройства.
Акустоэлектрическими материалами называются электропроводящие материалы, у которых проявляется акустоэлектрический эффект – явление, заключающееся в появлении в проводнике постоянного электрического тока в замкнутой цепи или электрического напряжения (электродвижущей силы – ЭДС) на концах разомкнутого проводника при распространении в нём бегущей ультразвуковой (УЗ) волны.
Ультразвуковая волна, распространяясь в твердом теле, воздействуют на внутрикристаллические электрические поля. Последние существуют вследствие того, что электрические поля, созданные положительными и отрицательными ионами в промежутках между атомами кристаллической решетки, являются некомпенсированными. При взаимодействии ультразвуковой волны с электронами проводимости каждый фотон, взаимодействующий с электроном, передаёт ему импульс hw/c (h – постоянная Планка, w и с – частота и скорость звука соответственно). При этом электрон получает дополнительную скорость ∆v = hw/cm в направлении распространения звука (m – масса электрона) и возникает акустоэлектрический ток, плотность которого
где е – заряд электрона;
nе – число электронов проводимости в единице объёма.
Акустоэлектрический эффект был предсказан американским физиком Р. Парментером в 1953 г. и впервые обнаружен американскими физиками Г. Вайнрайхом и X. Дж. Уайтом в 1957 г.
Экспериментально акустоэлектрический эффект наблюдается в металлах и полупроводниках. Однако в металлах и центросимметричных полупроводниках, таких, как Ge и Si, он невелик из-за слабого акустоэлектронного взаимодействия. Значительный эффект имеет место в пьезополупроводниках (CdS, CdSe, ZnO, CaAs, InSb и др.).
Механизм возникновения акустоэлектрического эффекта поясняется на рис. 11. Через пьезополупроводниковый кристалл с металлическими электродами, перпендикулярными направлению распространения звука, проходит ультразвуковая волна и если электрическая цепь разомкнута, то между электродами возникает акустоэлектрическая разность потенциалов (акусто-ЭДС) Еаэ. Если же цепь замкнута, то протекает акустоэлектрический ток.
Рис. 11. Схема возникновения продольного акустоэлектрического эффекта: 1 – пьезополупроводниковый кристалл; 2, 3 – электроды; 4 – звукопроводы; 5, 6 – излучающий и приёмный электроакустические преобразователи
Акустоэлектрический эффект может возникать как во всем объеме звукопровода, так и в поверхностном слое – при прохождении поверхностных акустических волн (ПАВ).
Приборы на основе акустоэлектрического эффекта применяются для измерения интенсивности ультразвука в твердых телах, частотных характеристик ультразвуковых преобразователей, структуры звукового поля, а также для исследования электрических свойств полупроводников (измерения подвижности носителей, контроля неоднородности электронных параметров, примесных состояний и др.). Они также используются для преобразования и обработки сигналов (задержка сигналов во времени или изменение их длительности, частотные и фазовые преобразования, усиление и модуляция амплитуды, кодирование, декодирование, интегрирование и т.д.). На их основе создаются пассивные (линии задержки, фильтры) и активные (усилители, генераторы, модуляторы) элементы электронных устройств.