Пьезоэлектрический акустический демпфер

Область техники
Полезная модель относится к элементам поглощения отражённых объёмных акустических волн в прозрачных звукопроводах.
Уровень техники
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является поглотители, описанные в источнике Романовский М.Н. Проектирование фильтров на ПАВ: руководство к практическим занятиям и самостоятельной работе по дисциплине «Интегральные устройства радиоэлектроники». – Томск: ТУСУР, 2016, 21 с., с.12. В разделе 6 «Материалы ВШП и поглотителей» описаны демпферы и материалы, используемые в них. Демпферы представляют собой средства подавления отражения акустических волн в звукопроводах. В качестве материала акустических демпферов можно применять материалы на основе эпоксидных смол, а также элементоорганических каучуков и их смесей. Наиболее технологичными из них и обладающими хорошими поглощающими свойствами являются кремнийорганические компаунды. Толщина демпферов обычно находится в пределах (0,1÷0,8) мм. Для устранения отражений акустический демпфер размещают на торце звукопровода или на участке рабочей поверхности непосредственно за преобразователем.
Недостатком прототипа является постепенное повышение температуры демпфера и основного устройства за счёт преобразования энергии акустических волн в тепловую. Стабилизация температурного режима является необходимым условием корректной работы устройств, использующих звуковые волны, в особенности акустооптических.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является снижение нагрева устройства, возникающего при поглощении УЗ-волны, поскольку локальный нагрев кристалла приводит к изменению, как акустических и фотоупругих, так и оптических свойств, и как следствие, к изменению выходных параметров прибора вплоть до разрушения.
Поставленный технический результат достигается за счёт того, что в пьезоэлектрическом акустическом демпфере, содержащем слой твёрдого материала, выполненный в виде пьезопластины с двумя поверхностями большей площади, одна из поверхностей предназначена для присоединения к звукопроводу, а другая расположена в противоположной от неё стороне, на большие поверхности пьезопластины нанесены электроды, причём электроды соединены с согласованной электрической нагрузкой; активная часть которой не имеет теплового контакта с рабочим телом прибора.
Краткое описание чертежей
Полезная модель поясняется чертежом, на котором показано схематично устройство с использованием пьезоэлектрического акустического демпфера.
Раскрытие полезной модели
На фигурах обозначены: входной световой луч 1, входная оптическая грань 2, генератор 3, пьезопреобразователь 4, электрическая нагрузка 5, пьезопластина 6, акустический пучок 7, звукопровод 8, выходная оптическая грань 9, недифрагированный луч 10, дифрагированный луч 11.
Наиболее распространёнными устройствами с применением пьезоэлектрического акустического демпфера являются ультразвуковые линии задержки и различные акустооптические устройства. Далее приведён пример применения пьезоэлектрического акустического демпфера в адаптивной дисперсионной оптической линии задержки.
Основными элементами адаптивной дисперсионной оптической линия задержки являются генератор 3, пьезопреобразователь 4, звукопровод 8, пьезоэлектрический акустический демпфер.
Генератор 3 выполнен с обеспечением подачи электрического сигнала на пьезопреобразователь 4 с обеспечением возможности их дальнейшего преобразования в акустический сигнал.
Пьезопреобразователь 4 выполнен с обеспечением возможности преобразования электрического сигнала, полученного от генератора 3, в акустический сигнал. Пьезопреобразователь 4 выполнен обычным образом для данного вида устройств. В частном случае пьезопреобразователь 4 может быть выполнен из пластины ниобата лития. Пьезопреобразователь 4 установлен на звукопроводе 8 с обеспечением такого расположения акустического пучка 7, которое обеспечивает возникновение брэгговской дифракции входного светового луча (оптического луча) 1 на акустическом пучке 7.
Звукопровод 8 может быть выполнен на основе различных кристаллов, используемых в акустооптике. Для обеспечения наиболее эффективного управления фемтосекундным излучением, а именно для достижения высокой эффективности дифракции, высокого спектрального разрешения и большего времени оптической задержки предлагается применять квазиколлинерную геометрию акустооптического взаимодействия в звукопроводе 8, выполненном из кристаллов каломели (Hg2Cl2) для инфракрасного диапазона спектра, парателлурита (TeO2) для видимой и инфракрасной частей спектра, фторида магния (MgF2) или дигидрофосфата калия, (KH2PO4)– KDP,– для ультрафиолетовой части спектра. Кроме того, возможно применение неколлинеарной геометрии в звукопроводе 8, выполненном из этих кристаллов или строго коллинеарной геометрии в звукопроводе 8, выполненном из кристаллов молибдата кальция (CaMoO4), TAS (Tl3AsSe3).
Звукопровод 8имеет форму многоугольника с выходной оптической гранью 9 (одновременно является гранью акустического отражения), параллельной входной оптической грани 2 (одновременно является гранью акустического отражения).
Пьезоэлектрический акустический демпфер состоит из пьезопластины 6 с электродами и подключённой к ним электрической нагрузкой 5 (например, омической).
Пьезопластина 6 обеспечивает возможность преобразования звукового сигнала, полученного из звукопровода 8, в электрическоенапряжение. Пьезопластина 6выполнена обычным образом для данного вида устройств. В частном случае пьезопластина 8 может быть выполнена из ниобата лития. На больших поверхностях пьезопластины 6 размещены электроды, подсоединённые к электрической нагрузке 5.
Электрическая нагрузка 5 представляет собой средство для отведения энергии (тепловой) от звукопровода 8. В качестве электрической нагрузки 5 для данного вида устройств применяют активную (омическую) нагрузку.
Осуществление полезной модели
Полезная модель реализуется следующим образом. Изготавливают звукопровод 8 из описанных выше материалов заданной конфигурации. На заданных гранях звукопровода 8 размещают пьезопроеобразователь 4 и пьезопластину 6 с электродами. К пьезопреобразователю 4 подключают генератор 3. К электродам подключают электрическую нагрузку 5, в частности согласованную, т.е. такую, характер электрического сопротивления которой позволяет поглотить максимальную долю энергии. Напротив входной оптической грани 2 звукопровода 8 располагают источник светового сигнала.
Генератор 3 создаёт электрический импульс и передаёт его пьезопреобразователю 4, который преобразует его в акустический сигнал, который распространяется по звукопроводу 8. Акустический пучок 7 (представляющий собой совокупность акустических сигналов, полученных от пьезопреобразователя 4), отражаясь от входной оптической грани 2 (одновременно являющейся отражающей акустической гранью) и проходя по звукопроводу 8, взаимодействует с входным световым лучом 1 с образованием дифрагированного луча 11, выходящим через выходную оптическую грань 9 совместно с недифрагированным лучом 10. При этом акустический пучок 7 отражается от выходной оптической грани 9 (одновременно являющейся отражающей акустической гранью) и улавливается пьезоэлектрическим акустическим демпфером. Акустические волны вызывают возникновение на больших поверхностях пьезопластины 6 электрических зарядов противоположного знака. В результате возникновения разности потенциалов между соответствующими электродами, между ними возникает электрический ток, проходящий через электрическую нагрузку 5. В результате энергия акустических волн преобразуется в тепловую энергию в электрической нагрузке 5, т.е. удалённо от звукопровода 8. Таким образом, облегчается поддержание заданного температурного режима акустооптического устройства.
Таким образом, выполнение устройства описанным выше образом обеспечивает поддержание заданного температурного режима акустооптического устройства, за счёт преобразования энергии акустических волн в тепловую энергию удалённо от звукопровода 8.