Способ определения направления максимального излучения электроакустических преобразователей Советский патент 1983 года по МПК G01N29/00 G01H5/00 

1

Изобретение относится к технике ультразвуковых измерений и может быть использовано для построения диаграммы направленности электроакустических преобразователей СВЧ-диапазона.

Известен способ исследования ультразвукового поля - по дифракции света на звуке, заключающийся в том, что направляют лазерный луч на рас- ,Q положенный на поворотном столике оптически прозрачный образец - звукопровод, в котором исследуемым электроакустическим преобразователем возбуждают ультразвуковую волну, фронт 15 которой устанавливают по отношению к световому пучку в отражающем положении, т.е. под брэгговским угло.м и регистрируют дифрагированный на звуке свет на выходе звукопровода с по- 20 мощью оптической системы. По угловым зависимостям дифрагированного света определяют диаграмму направленности акустического преобразователя. По

исследованию дифракции в различных точках образца - звукопровода определяют картину пространственного распределения интенсивности ультразвука и направление максимального излучения электроакустического преобразователя С

Основным недостатком способа является ограничение частотного диапазона исследуемых электроакустических преобразователей вследствие невозможности осуществить брэгговскую дифракцию света на звуке выше предельной звуковой частоты порядка Гц.

Известен способ визуализации звукового поля - способ Теплера, заключающийся в том, что направляют световой пучок на оптически прозрачную среду, в которой возбуждают стоячую ультразвуковую волну. Изменение плотности среды в звуковом поле приводит к соответствующему изменению показателя преломления световых лучей, проходящих через этот участок среды. В способе используют явление рефракции световой волны при прохождении среды с переменным показателем преломления которая становится при этом визуальн наблюдаемой, вследствие того, что пр рефракции света на стоячей звуковой волне в среде образуются темные и св лые полосы, соответствующиеузлам и пучности звуковой волны, фотографи|эу ют полученную картину звукового поля по которой определяют направление максимального излучения электроакуст ческого преобразователя 2J. Однако в указанном способе для ки зуализации звукового поля используют явление рефракции, что уменьшает час тотный диапазон исследуемых преобразователей (не больше нескольких мГцХ Наиболее близким к изобретению является способ определения направления максимального излучения электроакустических преобразователей, заключающийся в том, что регистрируют максимумы сигнала электроакусти ческого преобразователя и соответствующие им положения приемника сйг налов, по которым определяют искомое направление З. Основным недостатком способа яв ляется ограничение частотного диапазона исследуемых электроакустических преобразователей 5 связанное с тем, что сканирование звукового поля производят в газообразной или жидкой среде, в которых высокочастотный звук сильно затухает ( верхний частотный предел - несколько десятков мГц для жидкостей). Кроме того, трудно создать миниатюрный датчик звукового давления для высокочастотной области, а внесение в звуковое поле датчика звукового давления искажает последнее, поэтому картина исследуемого поля необъективна. Цель изобретения - расширение час тотного диапазона исследуемых преобразователей в область сверхвысоких частот. Поставленная цель достигается тем что согласно способу определения направления максимального излучения электроакустических преобразователей заключающемуся в том, что регистрируют максимумы сигнала электроакустического преобразователя и соответствующие им положения приемника сигналов, по которым определяют искомое направление,перед регистрацией максимумов сигнала электроакустический преобразователь устанавливают на звукопровод из металлического монокристалла, помещают приемник ультразвукового сигнала на противоположную поверхность звукопровода, охлан(дают его до температуры жидкого гелия и возбуждают магнитное поле, направление вектора напряженности которого совпадает с нормалью к поверхности Ферми звукопровода, поворачивают систему относительно вектора (Напряженности магнитного поля и при этом регистрируют указанные имформативные параметры. На фиг. 1 изображена схема устроиства для осуществления предлагае- мого способа; на фиг. 2 а - экспериментальная зависимость коэффициента об поглощения от угла ф наклона маг нитного поля с((ф) при (вектор Н наклонялся S плоскости (100); б - зависимость коэффициента Q поглощения от угле ф наклона магнитного поля о;:(ф} приУ 0,25° (вектор К наклонялся в проходящей через ось плоскости, 001 и отклонявшейся от плоскости (010) на угол 15 ); на фиг.З угловая зависимость угла V смещения СЦВ относительно НЭ в плоскости (001), перпендикулярной открытой поверхности Ферми. Согласно способу исследуемы электроакустический преобразователь 1 устанавливают на одной из рабочих поверхностей звукопровода 2 из металлического монокристалла, ориентированного так, чтобы направление открытой поверхности Ферми совпадало с нормалью к электроакустическому преобразователю 1. Помещают прием ик 3 ультразвукового сигнале на противоположную поверхность звукопровода 2. Охлаждают звукопровод 2 до температуры жидкого гелия, прикладывают внешнее магнитное поле перпендикулярно направлению открытости поверхности Ферми звукопровода, поворачивают магнитное поле в плоскости, проходящей через вектор Н напряженности внешнего магнитного поля и направление открытой поверхности Ферми, на угол, достаточный для того, чтобы на Зависимости коэффициента с поглощения звука от угла Ф наклона наблюдались максимумы, связанные как со спиральной циклотронной волной (С1,(В), так и 510 с наклонным эффектом (ИЭ), снимают РЯД зависимостейо (ф),при различных направлениях векторе Н относительно кристаллографических осей образца - -звукопровода в плоскости, перпендикулярной направлению открытой поверхности (ерми , измеряют на зависимостях С1|(ф ) углы V смещения максимумов НЗ относительно максимумов СЦВ, строят угловую зависимость угла V в плоскости, перпендикулярной направлению Открытости , и определяют угол отклонения направления максимал ного излучения исследуемого электроакустического преобразователя 1 от нормали к его поверхности как максимальное значение угла V на упомянутой угловой зависимости, а направление максимального излучения - по знаку смещения максимумов НЭ относительно максимумов СЦВ на зависимости oi.(.(|)) соответствующей максимуму угла V. Максимумы А и Б (фиг.2 на зависи мости с(ф) с вязаны соответственно с СЦВ и НЗ. Способ основан на том, что при ра пространении звука вдоль или под углом к направлению открытости на одно и той же криво( ) наблюдаются эффекты различной природы, причем положение максимумов СЦВ на.кривой о/(ф определяется направлением открытости т.е. кристаллографией, а положение максимумов НЭ - направлением волнового вектора q звука, совпадающего с направлением максимального излучения Если образец - звукопровод 2 сориентирован так, что нормаль п к его рабочим поверхностям совпадает с направлением открытости поверхности Ферми монокристалла, то на зависимости ) максимумы НЭ и СЦВ будут располагаться симметричным образом, если направление максимального излучения передающего электроакустическо го преобразователя совпадает с нормалью к этому преобразователю, довательно, с направлением открытост поверхности Ферми. Если же направление максимального излучения не совпа дает с opмaлью к электроакустическо му излучателю, то на зависимостио((Ф максимумы НЭ смещаются относительно максимумов СЦВ на угол V, равный углу между направлением открытости и проекцией вектора q на плоскость, проходящую через направление открытости и вектор Н, т.е. на плоскость 64 В которой поворачивают магнитное поле при записи кривых ) Для определения направления максимального излучения исследуемого преобразователя 1 в пространстве находят плоскость наклона, в которой угол V принимает максимальное значение, для чего строят угловую зависимость V в плоскости, перпендикулярной направлению открытости. Тот факт, что в в искомой плоскости наклона на угол V максимален, означает, что направление максимального излучения исследуемого преобразователя также лежит в. этой плоскости. Величина угла отклонения направления- максимального излучения исследуемого преобразователя от нормали к его плоскости равна максимальному знамению V, а направление максимального излучения в указанной плоскости наклона определяется по знаку смещения максимумов НЭ на зав симости Ы(ф),т.е. по тому в области положительных или отрицательных углов Ф набпюдается смещение этих максимумов. Способ опробован на пьезопреобразователях,изготовленных из кварцевых пластин х-соеза с основной частотой 66 мГц. В качестве звукопровода использовались монокристаллы галлия марки ГЛ-000, рабочие поверхности которых ориентировались перпендикулярно оси 001, совпадающей с направление откры ° поверхности Ферми рентгеновским дифрактометрическим методом. Толщина звукопровода 2 мм. Эксперименты проводились при 1,7К на частоте звука 200 мГц. Магнитное поле, создаваемое электромагнитом, равно I кЭ. Наклон магнитного поля относительно монокристалла осуществлялся устройством, наклонявшим звукопровод относительно неподвижного магнитного поля на угол до i . Устройство позволяло разворачивать образец - звукопровод вокруг оси на ЗбО , что позволило снять угловые зависимости V в плоскости, перпендикулярной поверхности Ферми. Результаты экспериментов, приведенные на фиг.2 и 3, свидетельствуют о том, что направление излучения исследуемого пьезопреобразователя отклоняется от нормали к пьезопластине на угол 0,25° в сторону оси 100 звукопровода. Таким образом, использование предлагаемого способа определения направления максималького излучения ультразвуковых преобразователей позволя ет обеспечить по сравнению с сущест вующими способами значительно (на один - два порядка расширение частотного диапазона исследуемых преобразователей. Дальнейшее расширени диапазона в настоящее время невозможно из-за отсутствия соответствую щих преобразователей. Кроме того, способ можно использовать для контроля направления изл чения электроакустических преобразо вателей, применяемых в экспериментальной физике, например для изучения электронного спектра металлов. Другим возможным применением способ является контроль направления излучения электроакустических преобразо вателей. Используемых в многоугольн линиях задержки, поскольку к таким преобразователям предъявляются особенно высокие требования к отклонению направления максимального излучения от нормали к их поверхности. Формула изобретения Способ определения направления максимального излучения электроакустических преобразователей, заключаю щийся в том, что регистрируют максимумы сигнала электрракустического преобразователя и соответствующие им положения приемника сигналов., по которым определяют искомое направление, отличающийся тем, что, с целью расширения частотного диапазона исследуемых преобразователей в области сверхвысоких частот, перед регистрацией максимумов сигнала электроакустический преобразователь устанавливают на звукопровод из металлического монокристалла, помещают приемник ультразвукового сигнала на противоположную поверхность звукопровода., охлаждают его до температуры жидкого гелия и возбуждают магнитное поле, направление вектора напряженности которого совпадает с нормалы к поверхности Фермизвукопровода, поворачивают систему относительно вектора напряженности магнитного поля и при этом регистрируют указанные информативные параметры. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Гуляев Ю. В., Проклов В. В. , Шкердин Г. Н. Дифракция света на звуке в твердых телах. УФН, 1978, т. 12, вып. 1, с. 61-111. 2.Л. Бергман. Ультразвук и его применение в науке и технике. М., 1957, с. 160-168. 3.Ультразвук. - Маленькая энциклопедия. Под ред. И.П.Голяминой, Л., Наука, 1979, с. 37-61 (прототип) .

a -i.O-0,5 0 Риг. ,