2.1.4. Устройство управления динамическими неоднородностями

Исследовано насколько способов управления прохождением динамических неоднородностей по тракту передачи информации. Эти процессы определяются типом динамических неоднородностей, функциональным назначением прибора или устройства, Так, если используется только ПАВ, распространение которой происходит в тонком приповерхностном слое, то для эффективного управления можно использовать интерференцию, дифракцию, отражение, преломление, переизлучение, фокусирование волн. Можно варьировать также параметры звукопровода, изменяя такие характеристики процесса распределения, как скорость ПАВ, дисперсию, удельное затухание и т. п.

Наиболее распространенным методом является управление акустическим трактом путем изменения топологии его элементов. Эти элементы позволяют сформировать каналы распространения ПАВ. К таким элементам относится многополосковьй ответвитель (МПО), который конструктивно выполняется в виде системы пленочных металлических электродов, нанесенных на подложку. В зависимости от назначения устройства управления топология МПО имеет различную форму и способна переизлучать энергию в любой из кана­лов, формировать эти каналы.

При выполнении условия синхронизма λ=d МПО ведет себя как отражательная структура, и рабочий диапазон выбирается в пределах 0,4 ÷ 0,9 центральной частоты электродов, необходимых для эффективной перекачки энергии из канала, определяется соотношением:

,

а общая длина МПО равна

.

На рис. 5.8 приведены некоторые примеры использования МПО в звуковом канале. С помощью МПО можно переизлучать энергию из одного канала в другой (рис. 5.8, а), раздваивать акустический канал (рис. 5.8, б), разворачивать волновой фронт в обратном направлении (рис. 5.8, в).

Рисунок 2.8 – Некоторые операции в тракте, осуществляемые МПО: а – акустическая связь между двумя независимыми звукопроводами; б – раздвоение канала; в – обращение акустической волны

В качестве элементов акустического тракта можно использовать периодические неоднородности на поверхности звукопровода в виде пазов, выступов металлических или диэлектрических полосок, а также комбинации этих структур.

Разработаны методы локализации (каналирования) волны в топографическом волноводе (рис. 5.9, а, б). Часто это связано с необходимостью увеличения протяженности тракта, чтобы обеспечить максимальное время задержки. Помимо топографических волноводов для локализации акустической волны можно применять и плоские слоистые волноводы (рис. 5.9, в).

Слоистые волноводы изготовляют путем нанесения вещества, скорость ПАВ в которых, отлична от скорости в звукопроводе. Степень локализации волны зависит от соотношения скорости ПАВ в звукопроводе и в слое нанесенного вещества.

Рисунок 2.9 – Акустические волноводы: топографические волноводы треугольной (а) и прямоугольной (б) формы, слоистый волновод с нанесенным звукопроводом (в) и щелевой волновод (г)

Разработаны конструкции МПО с динамически управляемой конфигурацией электродов, в которых под воздействием локального излучения создаются области повышенной проводимости.

Эффективное управление прохождением динамических неоднородностей является изменение граничных условий распространения ПАВ. К граничным условиям будем относить большое число физических параметров, характеризующих среду распространения волн вдоль границы твердого тела, и параметры, отражающие структуру звукопровода. Этот метод управления базируется на локальном изменении свойств среды, что весьма эффективно с энергетической точки зрения. Например, если покрыть поверхность звукопровода тонким слоем селенида кадмия, удельное сопротивление которого зависит от уровня освещенности, то можно менять мнимую часть акустического импеданса. В этом случае появляется возможность изменять амплитуду ПАВ в достаточно широком диапазоне значений.

Однако заметим, что методу управления удельной проводимостью поверхностного слоя присущи недостатки, связанные с большим энергопотреблением, громоздкостью проекционных систем.

Если же использовать магниточувствительные пленки, нанесенные на поверхность звукопровода, то изменять упругие свойства пленки, а также акустический импеданс звукопровода становится проще. Возникающие магнитоупругие поверхностные волны обладают рядом специфических свойств. В частности, их разовая скорость зависит от ориентации вектора управляющего магнитного поля, что позволяет эффективно управлять скоростью распространения в пределах 20%.

Третий метод управления свойствами звукопровода основывается на целенаправленном изменении электрофизических свойств материала звукопровода. Возможность управления свойствами материала может быть реализована за счет термодинамической взаимосвязи тепловых, электрических, магнитных и упругих параметров среды. Управление в этом случае осуществляется с помощью полей различной физической природы.

В некоторых конструкциях приборов используется линейная зависимость между деформацией звукопровода и скоростью распространения ПАВ, Изменение скорости распространения ПАВ также линейно зависит от температуры и аналитически записывается в виде:

,

Где β — температурный коэффициент расширения, Δt — температурный интервал. Этот метод отличается простотой, отсутствием дополнительных потерь, позволяет эффективно использовать материалы с большим коэффициентом электромеханической связи.

Управление скоростью распространения ПАВ можно осуществлять, используя эффект электроупругого взаимодействия. С этой целью звукопровод помещается в электрическое поле с напряженностью ~ 10³ В/см. Однако использование высоковольтного источника напряжения сопряжено с известными трудностями.

Скоростью распространения ПАВ можно также управлять, используя термоупругий эффект. Его применение позволяет изменять упругие константы материала в тепловых полях. Однако большая инерционность тепловых процессов ограничивает использование этого метода управления.