Введение. 4 страница. На рис. 5.8 приведены некоторые примеры использования МПО в звуковом канале

,

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.

5.1.5. Детектирование динамических неоднородностей

Детектирование динамических неоднородностей является, как правило, физическим процессом, обратным их генерации. Если при генерации ПАВ используется прямой пьезоэффект, позволяющий преобразовывать энергию электрического поля в энергию акустической волны, то в процессе детектирования используется обратный пьезоэффект. Устройство, позволяющее детектировать ПАВ, аналогично генератору ПАВ и представляет собой ВШП.

Одним из способов детектирования является управление топологией электродов. С этой целью можно менять их геометрическую конфигурацию, перекоммутировать отдельные электроды или их группы, формировать латентные электроды и управлять локальным облучением световым или электронным потоком.

Форма импульсного отклика ВШП зависит от закона изменения перекрытия электродов, другими словами, от их частоты и апертуры. На рис. 5.10 представлены формы выходных сигналов, зависящие от топологии детектора, при подаче на вход единичного импульса.

Рисунок 5.10 – Управление генерацией импульсов топологией ВШП; а — эквидистантивный, неаподизированный; б, в — неэквидистантивный; неаподизированный;
г — эквидистантивный. аподизированный по закону sinх/х

Если произвести перекоммутацию штырей детектора, то можно управлять выходным сигналом, аналогично уже рассмотренному случаю (рис. 5.5). Детектирование ПАВ можно осуществлять также методом управляемого взвешивания, осуществляемое путем подключения к электродам преобразователя управляемых импедансных элементов любого типа. Такой прием обеспечивает регулируемую амплитудную модуляцию импульсного отклика, а также управление формой амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик.

И наконец, детектирование можно осуществить, управляя электрофизическими свойства ми подложки. В этом случае конструкции выходного ВШП аналогичны входному, а физические процессы детектирования дополнительны (обратим) процессам генерации.

5.2. Приборы функциональной акустоэлектроники

Приборы функциональной акустоэлектроники предназначены для преобразования, аналоговой обработки и хранения информации.

С помощью акустоэлектронных приборов и устройств можно производить различные операции с сигналами: задерживать по времени, изменять длительность и форму сигналов по амплитуде, частоте и фазе, преобразовывать частоты и спектр сигналов, сдвигать их по фазе, производить модулирование сигналов, производить кодирование и декодирование сигналов, интегрирование сигналов, получать функции свертки и корреляции сигналов. Устройства, производящие эти операции, отнесены к процессорам сигналов.

Акустоэлектронные устройства позволяют также осуществлять хранение информации. Такие устройства отнесем к запоминающим устройствам.

Схема, отображающая классификацию приборов функциональной акустоэлектроники приведена на рис. 2.11. В этих устройствах используются акустические волны в диапазоне 5x10⁶—2x10⁹ Гц.

Использование приборов и устройств функциональной акустоэлектроники позволяет осуществлять процесс обработки аналоговой и цифровой информации достаточно просто и надежно. При этом удается получить выигрыш в габаритах, массе, энергии и стоимости, что характерно для приборов микроэлектроники.

2.2.1. Линии задержки

Простейшим процессором сигналов является линия задержки (ЛЗ), которая предназначена для временной задержки сигналов без заметных их искажений.

Рисунок 5.11 – Классификация устройств функциональной акустоэлектроники

Основным преимуществом ЛЗ на ПАВ являются их небольшие габариты, достаточно широкий диапазон частот (до I0 Гц), хорошая температурная стабильность (~10^-6 °С^-1), свойства обусловлены, прежде всего, особенностями ПАВ, а именно невысокой (~10⁵ см/с) скоростью распространения, бездисперсионностью, эффективным преобразованием электрической энергии в акустическую и наоборот. Классификация линий задержки приведена на схеме, представленной на рис. 5.11.

Линии с однократной задержкой сигнала предназначены для однократного или единично го съема информационного сигнала и должны обеспечивать заданную задержку и форму АЧХ-сигнала с максимальной точностью в пределах широкого диапазона температур. Конструктивное решение линии задержки определяется требуемым временем задержки сигнала, а полоса пропускания выбранной топологией ВШП (рис. 5.12, а). Исходя из обобщенной модели изделия функциональной электроники, заметим, что в качестве континуальной среды в ЛЗ чаще используются кварц Y -среза (ST), ниобат лития, германат висмута. Выбор конкретного материала осуществляется на основе энергетического критерия, позволяющего обеспечить минимальные потери, или на основе критерия температурной стабильности параметров.

Генератором динамических неоднородностей в виде ПАВ служит ВШП, как правило, неаподизированный и эквидистантный, Расчет ВШП ПАВ производится исходя из принципа оптимального энергетического согласования в полосе частот. Проще было бы согласование произвести на центральной частоте — частоте акустического синхронизма. Поэтому необходимо обеспечить в акустическом тракте звукопровода равенство электрической и акустической добротностей.

Электрическая добротность Q_э определяется коэффициентом электромеханической связи и числом пар штырей ВШП N:

Q_э

Акустическая добротность Q_a тракта определяется как

Q_а

Число электродов ВШП N выбирается исходя из соотношения

N ,

где — коэффициент, учитывающий уменьшение полосы пропускания, соответствующей произведению амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) входного и выходного ВПШ. Тогда при 0,6 + 0,8 величина

Q_а .

Зависимости Q_э=f(N) и Q_а =f(N) приведены на рис. 5.12, б.

Можно выделить три области на графиках. При N<N_opt на частоте акустического синхронизма при R_г = R_п входная и выходная цепи будут согласованы. При этом 50% энергии источника преобразуется в ПАВ. Однако в этой области Q_э>Q_a и полоса частот будет урезана. Для увеличения полосы частот акустической цепи необходимо зашунтировать электрический контур, например, увеличив сопротивление генератора R_г. Оптимальным режимом является Q_э = Q_a, выполняемое при оптимальном числе пар штырей ВШП

N_opt=

При N>N_opt, ширина полосы пропускания электрической цепи будет больше, чем у акустической. С точки зрения минимизации вносимых потерь такой преобразователь предпочтительней малоэлектродного (N< N_opt). Вводится величина Р, характеризующая степень рассогласования:

P= . (5.5)

Рисунок 5.12 – Линия с однократной задержкой сигнала: а — общий вид; 1 — входной ВШП;
2 — континуальная среда; 3— выходной ВШП; 4 — поглотители ПАВ; L, R_r, r— индуктивность, сопротивление и напряжение генератора входной цепи, соответственно; С, R_H — ёмкость и сопротивление нагрузки выходной цепи; б—зависимость акустической и электрической добротности от числа электродов ВШП; в — импульсный отклик на сигнал 5(т); г — форма радиоимпульса; д — отклик ЛЗ на радиоимпульс

Шаг электродов d выбирается исходя из заданной центральной частоты

d=V_a/2f₀,

а ширина электродов а, как правило, равна расстоянию между ними b (а=b) и тогда

а=V_а/4f₀.

Минимальное значение апертуры ВШП определяется дифракционными потерями и мо­жет быть оценено из соотношения:

W_min > .

Время задержки сигнала

=L/V_a,

где L — длина звукопровода. Максимальное значение апертуры ограничивается конечной шириной звукопровода.

Переотражение акустической волны между преобразователями вызывает ложный сигнал тройного прохождения. Его задержка по отношению ко времени входного сигнала составляет величину З . Этот сигнал искажает АЧХ. При подаче на вход ЛЗ одиночного импульса , обладающего единичной амплитудой и бесконечно малой длительностью, на выходе возникнет акустический сигнал, задержанный на время

= L/V_a.

Если входной и выходной ВШП одинаковы, то отклик имеет огибающую в форме ромба с общей длительностью, равной сумме длительностей переднего и заднего фронтов. Огибающая заполнена колебаниями частоты f₀. Если же на вход ЛЗ подать радиоимпульс, спектр входного сигнала которого уже полосы пропускания ЛЗ (рис. 5.12, г), то на выходе появится сигнал с фронтами 2 ₀ (рис. 2.12, д). При этом следует иметь в виду, что вход­ной и выходной преобразователи идентичны, а частота заполнения радиоимпульса равна частоте акустического синхронизма ВШП. Задержка в этом случае также определяется соотношением = L/ V_a. На точность воспроизведения задержки влияет, прежде всего, точность изготовления фотошаблонов, ошибки при совмещении и экспонировании, точ­ность ориентации звукопровода. Сказывается и ограниченная термостабильность скоро­сти распространения ПАВ. Линии задержки на ПАВ отличает широкий динамический диапазон Д [дБ ], определяемый выражением:

Д= 20·B·lgU_вх.max/U_вых.min,

где U_вх.max — максимально возможное входное напряжение; U_вых.min — минимальное напряжение на выходе ЛЗ, обеспечивающее выделение его на фоне шумов, В — вносимые ЛЗ потери, измеряемые в децибелах. Величина динамического диапазона составляет 80 120 дБ.

Многоотводные линии задержки (МЛЗ) предназначены для увеличения максимального времени задержки, увеличения числа дискретных диапазонов задержки, регулировки времени задержки. Максимальную задержку сигналов можно получить, эффективно управляя распространением ПАВ. Увеличивая траекторию распространения ПАВ в пределах одного звукопровода, можно получить заданные параметры. На рис. 5.13 приведены некоторые, конструктивно-технологические решения, связанные с увеличением звукового тракта.

Рисунок 5.13 – Многоотводная линия задержки: а — матричная конструкция; б — плёночный звукопровод; в — каскадное включение парциальных ЛЗ

Матричная конструкция МЛЗ имеет входной ВШП и матрицу выходных, располагающихся по т в n независимых каналах (рис. 5.13, а). Шаг в одном составляет L, дискрет задержки l = L/ п. Другие варианты, например, могут быть связаны с созданием звукового тракта в виде ломаной линии с использованием пьезоэлектрических пленок в качестве континуальной среды (рис. 5.13, б). Рассмотренные конструкции не обеспечивают подавление трехзаходного сигнала и объемных, волн, возникающих между ВШП и тыльной стороной звукопровода. Конструкция каскадного включения парциальных ЛЗ позволяет избежать этих помех (рис. 5.13, в). Парциальные ЛЗ выполнены на подложках различной толщины l₁ и l₂ так, что АЧХ объемно-волновых трактов не совпадают и отсутствует ре­зультирующая частота их взаимодействия.

Процесс производства МЛЗ заключается в поиске конструктивных и электрических характеристик звеньев линии задержки.

Дисперсионные линии задержки (ДЛЗ) предназначены для формирования зависимости задержки от частоты сигнала.

В ДЛЗ используется генерирующий ВШП с неэквидистантным расположением штырей. Шаг электродов меняется от

d_max= V_a/2f_min

до

d_min= V_a/2f_max,

где f_min и f_max — нижняя и верхняя частоты девиации ДЛЗ. В отличие от физической дисперсии используется "топологическая" дисперсия. На рис. 5.14, а представлена одна из конструкций ДЛЗ. Генерирующий ВШП несимметричен и неаподизирован, а детектирующий имеет малое число штырей и рассчитан на широкую полосу АЧХ. Дисперсионная характеристика имеет линейный характер (рис. 5.14, б). Основное достоинство ДЛЗ несимметричной конструкции заключается в достаточно простом способе изменения наклона дисперсионной характеристики.

С помощью ДЛЗ можно формировать линейно-частотно-модулированные сигналы (ЛЧМ). Лишенный закон изменения задержки сигнала от частоты может быть обеспечен уменьшением шага электродов ВШП.

Рисунок 5.14 – Дисперсионная линия задержки с "топологической" дисперсией (а) и ее характеристика (б)

Можно также сформировать линейную дисперсионную характеристику, используя топо­логию с увеличивающимся шагом.

5.2.2. Устройства частотной селекции

Устройства частотной селекции представляют собой процессоры, предназначенные для выделения необходимых сигналов на фоне шумов и помех.

К устройствам частотной селекции относятся фильтры, которые можно классифицировать по следующим независимым признакам:

§ по виду частотной характеристики: полосовые (пропускающие определенную полосу частот ), режекторные (подавляющие определенную полосу частот , нижних частот (пропускающие частоты от 0 до f_e), верхних частот (пропускающие частоты вы-ше f_н);

§ по физическому принципу: резонансные (по акустическому или электрическому резонансу), трансверсальные (по фазочастотной характеристике), нетрансверсальные (по амплитудно-частотной характеристике);

§ по виду обрабатываемых сигналов: аналоговые (обработка сигнала в виде непрерывной функции), цифровые (обработка сигнала в виде дискретной функции).

К устройствам частотной селекции относятся также резонаторы. Резонаторы на объемных акустических волнах были хорошо известны. ПАВ-резонаторы, как правило, самостоятельного значения не имеют, однако широко используются в конструкциях фильтров.

Полосовые фильтры получили наиболее широкое распространение среди элементов частотной селекции на ПАВ. Различают сверхузкополосные фильтры (0,01% < f/f₀ 0,1%), узкополосные (0,1% < f/f₀ 1%) среднеполосные (1%< f/f_Q l0%), широкополосные (10% f/f₀ 50%) и сверхширокополосные (50% < f/f₀ 100%). Полосовые фильтры используются в диапазоне частот от 10 МГц до 2 ГГц. Фильтрация частот в полосовых фильтрах осуществляется за счет селективных свойств ВШП.

Самым простым по конструкции из полосовых фильтров является однопроходной фильтр.

Рассмотрим элементы его конструкций. В качестве континуальной среды используются различные пьезоэлектрические материалы. Генератором динамических неоднородностей в виде ПАВ служит входной ВШП, имеющий многоэлектродную структуру. Амплитудно-частотная характеристика эквидистантного ВЩП (рис. 5.15, а) может быть определена с помощью преобразования Фурье.

Спектр входного сигнала U_вх(t) может быть представлен в виде суммы бесконечного числа синусоидальных колебаний с непрерывной последовательностью частоты и с бесконечно малыми амплитудами

dU_вх= Ф₁(ω)exp(jωt)dω,

где dω — бесконечно малый частотный интервал. Функция

Ф₁=

представляет собой спектральную плотность амплитуды.

Рисунок 5.15 – Полосовой фильтр: а — конструкция; б — АЧХ фильтра;
б — схема формирования трансверсального фильтра;
г — суммарная АЧХ трансверсального фильтра

Если для любой частоты известен коэффициент передачи четырехполюсника

K(jω)= ,

то по амплитуде элементарного воздействия можно найти амплитуду элементарного от­клика:

d = .

Таким образом, элементарный отклик можно представить в виде:

Ф₁(ω) d .

Полный отклик равен сумме элементарных откликов:

d ,

d ,

где спектр отклика. Другими словами, спектр отклика равен спектру воздействия, умноженному на коэффициент передачи, или = . Величина является передаточной функцией.

В исследованной конструкции фильтра входной сигнал представлен в виде импульса с прямоугольной огибающей, заполненной колебаниями с частотой f₀. Входной ВШП преобразует входной сигнал. Фурье-спектр этого сигнала может быть аппроксимирован функцией вида

A const ,

где X= (рис. 5.15, б, кривая 1).

Излучаемый ВШП сигнал распространяется в акустическом канале без искажения и поступает на выходной ВШП, который состоит из малого количества штырей и имеет достаточно широкую полосу пропускания (рис. 5.15, б, кривая 2). Полоса пропускания Δf такого полосового фильтра определяется входным ВШП и регулируется количеством штырей N. Конструкция фильтра мало чем отличается от ранее рассмотренной линии задержки. Такие конструкции, у которых свойства определяются фазочастотной характеристикой известны как трансверсальные фильтры. Селекция частот в них осуществляется с помощью топологии ВШП. В более сложных конструкциях используются несколько фильтров (линий задержек), сигналы от которых складываются синфазно. Фильтр имеет п линий задержки, отводы от которых характеризуются весовыми коэффициентами a_i Сигналы от каждой линии задержки синфазно складываются в сумматоре и формируют сигнал на выходе фильтра (рис. 5.15, в). У нетрансверсальных фильтров свойства определяются амплитудно-частотной характеристикой.

Если входной сигнал представлен в виде U_ex = U_0e , то выходной сигнал с сумматора с помощью преобразования Фурье описывается зависимостью:

U_ex = U₀

где τ_i — время задержки сигнала в линии. Частотная характеристика фильтра с множеством ЛЗ представлена на рис. 5.15, г и представляет собой сумму функций типа (sinX/X) для большого числа N. Частотная характеристика трансверсального фильтра имеет почти прямоугольную форму.

Следует заметить, что каждую пару электродов ВШП можно интерпретировать как отводы фильтра, шины в качестве сумматора, а весовые коэффициенты а_i определяются топологией электродов. Очевидно, что, изменяя топологию электродов, их взаимное перекрытие можно менять значения а_i и, соответственно, АЧХ полосового фильтра. Такой метод весовой обработки компонентов сигнала получил название аподизации преобразователя. В принятой модели изделия функциональной электроники аподизированный преобразователь представляет собой устройство управления.

Степень перекрытия электродов при постоянной амплитуде ПАВ изменяет величину фронта волны, что и сказывается на значении весового коэффициента. Различают два основных метода аподизации преобразователей.

Внешнее взвешивание реализуется с помощью внешних шунтов емкостного или резистивного характера, которые позволяют задавать на электродах (рис. 5.16, а) разность потенциалов (рис. 5.16, б), необходимую для формирования ПАВ. Интенсивность электрического поля между соседними электродами ВШП определяется только разностью потенциалов, поскольку апертура постоянна. Интенсивность формируемой ПАВ пропорциональна интенсивности электрического поля. Энергетические характеристики волны отражены на эпюрах. Амплитуда волны пропорциональна напряжению при постоянной апертуре W.