Характеристики встречно-штыревых преобразователей

Существует ряд упрощенных моделей, на основе которых проводится исследование основных особенностей работы преобразователей ПАВ и их конструировании.

Рассмотрим эквивалентную электрическую схему Мезона, на которой первый (1-1`) и второй (2-2`) входы акустические, а третий (3-3`) - электрический.

Со стороны акустических входов она представляет собой аналог длинной линии с характеристическим сопротивлением Z₀ и фазовым углом Q:

где w - частота сигнала.

w_a - частота акустоэлектрического синхронизма (резонансная частота).

Напряжение U_i на i-м акустическом входе является электрическим аналогом акустической силы F_i поверхностной волны, а ток i_i электрическим эквивалентом скорости частиц Среды V_C. Эти величины связаны следующим образом:

где ; h – пьезоконстанта материала подложки;

C_S – статическая емкость секции преобразователя.

Произведение тока и напряжения на акустических входах характеризует мощность акустической волны, а отношение напряжения к току — электрический эквивалент механического сопротивления упругой Среды Z₀:

- коэффициент электромеханической связи

- скорость ПАВ на металлизированной поверхности

- скорость ПАВ на не металлизированной поверхности

Для эквивалентной схемы секции преобразователя можно получить матрицу Y-параметров, которая имеет следующий вид:

Где:

Симметрия приведенной выше схемы определяет равенство собственных и взаимных проводимостей матрицы со стороны акустических входов, т.е. y₁₁=y₂₂, y₁₂=y₂₁, y₁₃=y₃₁, y₂₃=y₃₂. Противоположность направлений излучения поверхностной волны из акустических выходов 1 и 2 отражается разными знаками в элементах взаимных проводимостей.

Чисто реактивный характер элементов матрицы взаимных и собственных проводимостей является следствием предположения об отсутствии потерь в эквивалентной схеме Мэзона. Таким образом, данная модель преобразователя не учитывает омические потери в материале электродов, потери в пьезоматериале при распространении ПАВ вдоль преобразователя, потери связанные с паразитным возбуждением объемных акустических типов колебаний.

Эквивалентную электрическую схему преобразователя, состоящего из N пар электродов, можно получить из N эквивалентных электрических схем отдельных секций, соединяя их акустические входы последовательно, а электрические параллельно. Эта эквивалентная схема описывается матрицей Y-параметров:

Ст=NСs

Рисунок 8 - Эквивалентная схема многоэлектродного ВШП.

Полученные выражения Y-параметров позволяют определить характеристики ВШП со стороны электрического входа, например его входную проводимость. Рассмотрим ВШП, излучающий ПАВ в бесконечную акустическую среду. Это соответствует подключению к акустическим входам преобразователя на эквивалентной схеме электрического эквивалента механического сопротивления упругой среды Z₀.

Рисунок 9 - Эквивалентная схема ВШП, излучающего в бесконечную акустическую среду.

Используя матрицу Y-параметров, можно определить входную проводимость ВШП:

где - активная составляющая проводимости излучения.

- реактивная составляющая проводимости излучателя.

- значение активной составляющей проводимости на частоте

Приближения в выражениях для и справедливы лишь вблизи в полосе частот, удовлетворяющих условию .

Частотные зависимости активной и реактивной составляющих проводимостей излучения преобразователя для двух значений N приведены на следующем рисунке:

Рисунок 10 - Зависимость активной и реактивной составляющих проводимостей излучения ВШП от частоты.

Отметим, что эквивалентная схема Мезона не учитывает разницу в скоростях распространения ПАВ на свободной и V и металлизированной V_M поверхностях пьезоэлектрика при прохождении волны вдоль ВШП и, следовательно, не учитывает явления, связанные с отражением ПАВ от граней штырей преобразователя.

Влияние этих отражений возрастает с увеличением количества пар электродов в преобразователе и при большом из числе амплитудно- и фазочастотная характеристики преобразователя значительно искажаются.

Число пар электродов N_кр, для которого эти отражения становятся заметны, обратно пропорциональны относительной разности скоростей т.е. тем больше, чем слабее используемый пьезоэлектрик. Для кварца N_кр равно 100-200.