13.4: Електродинамічно-акустичні пристрої

Last updated
Save as PDF

Page ID: 78021

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Магнітоакустичні прилади

Одним з найпоширеніших електроакустичних пристроїв є гучномовець, де більші одиниці зазвичай використовують магнітний соленоїд (див. Розділ 6.4.1) для приводу великого легкого конуса, який штовхає повітря за допомогою керованої форми хвилі. Межі частот знаходяться в механічних резонансах системи, які є власними частотами коливань конуса. Механічна межа низької частоти, як правило, встановлюється резонансом жорсткого конуса, що коливається в його опорній структурі. Верхня механічна межа встановлюється природними резонансними режимами самого конуса, які нижчі для більших конусів, оскільки ведені хвилі зазвичай поширюються назовні від веденого центру і можуть відображатися від зовнішнього краю конуса, встановлюючи стоячі хвилі. Межа амплітуди зазвичай встановлюється силою системи та її лінійністю. Як показано в розділі 6.1.2, механічний рух може генерувати електричні напруги в одних і тих же системах, тому вони також функціонують як мікрофони.

Інший магнітоакустичний пристрій використовує магнітострикцію, яка представляє собою усадку деяких магнітних матеріалів при впливі великих магнітних полів. Вони використовуються, коли потрібні невеликі потужні лінійні рухи, як правило, близько мікрон. Для отримання більших рухів головка приводу може бути підключена до механічно конічної акустичної лінії передачі, що нагадує невелику тверду версію трубного рога, який плавно відповідає високому механічному опору водія на великій площі до низького механічного опору малого наконечника. Маленький наконечник рухається набагато більшими відстанями, оскільки акустична потужність зберігається, якщо конус повільний порівняно з чвертю довжини хвилі, подібно до серії четвертьхвильових трансформаторів, що використовуються для перетворення імпедансу; невеликі наконечники, що рухаються на великі відстані, передають ту ж потужність, що і великі площі, що рухаються малі відстаней. Такі акустично-трансмісійні трансформатори можуть використовуватися в будь-якому напрямку, в залежності від того, чи потрібні високі переміщення або високі сили.

Електроакустичні прилади

Найпростішим електроакустичним пристроєм є, мабуть, конденсатор з однією пластиною, яка вільно переміщається і штовхає повітря у відповідь на змінні в часі електричні сили на ньому, про що йдеться в розділі 6.2.2. Вони можуть бути реалізовані макроскопічно або всередині мікроелектромеханічних систем (MEMS).

Деякі матеріали, такі як кварц, є п'єзоелектричними і стискаються або спотворюються, коли на них розміщуються високі напруги. Оскільки це викривлення дає мало тепла, періодичне збудження кристалів кварцу може змусити їх резонувати з дуже високим Q, що робить їх корисними для цілей зберігання часу в годинниках, комп'ютерах та інших електронних пристроях. Ці механічні резонанси для звичайних кристалів знаходяться в діапазоні МГц і мають стабільність, яка становить ~ 10 ^-4 —10 ^-6, залежно здебільшого від температурної стабільності; більші кристали резонують на нижчих частотах. Вони також можуть бути розроблені для керування крихітними резонансними гучномовцями на високих акустичних частотах та ефективності для годинникових сигналів тощо.

За взаємністю хороші п'єзоелектричні приводи також є хорошими датчиками і можуть використовуватися як мікрофони. Механічне спотворення таких матеріалів породжує невеликі вимірювані напруги. Те ж саме відбувається, коли поділ пластин конденсаторів змінюється, як показано в розділі 6.6.1. Механічно конічні тверді акустичні хвилеводи також можуть бути використані для перетворення імпедансу між терміналами низької сили/високого руху та терміналами з високою силою/низьким рухом, як зазначено в розділі 13.4.1. Важелі також можуть використовуватися з цією ж метою.

Оптико-акустичні хвильові перетворювачі

Коли прозорі матеріали стискаються, їх діелектрична проникність зазвичай збільшується, уповільнюючи проходження світлових хвиль. Це явище було використано для обчислення перетворення Фур'є широкосмугових сигналів, які перетворюються на акустичні хвилі, що поширюються по довжині прозорого прямокутного стрижня. Рівномірна плоска хвиля від лазера потім проходить через стрижень під прямим кутом до нього і до акустичного променя, і тим самим відчуває локальні фазові лаги уздовж тих ділянок стрижня, де акустична хвиля тимчасово стиснула його. Якщо акустична хвиля знаходиться на 100 МГц і швидкість звуку в барі 1000 м/с, то акустична довжина хвилі дорівнює 10 мкм. Якщо лазер має довжину хвилі 1 мкм, то лазерне світло буде проходити прямо через планку і також буде дифрагувати під кутами\( \pm \lambda_\text { laser } / \lambda_{\text {acoustic }}=10^{-6} / 10^{-5}=0.1\) радіан. Також з'являться кілька інших променів, при ~ ± 0,2, 0,3 тощо [радіани]. Тому буде дифрагований лазерний промінь під кутом, унікальним для кожної Фур'є складової акустичного сигналу, сила якого залежить від величини пов'язаних оптичних фазових затримок уздовж стрижня. Лінзи можуть потім сфокусувати ці різні плоскі хвилі, щоб зробити спектр щільності потужності більш помітним.

Якщо для нових світлових пучків передбачено кілька вихідних портів, по одному на кут, лазерний промінь може ефективно перемикатися на акустичних швидкостях між цими портами. Якщо передбачено 100 вихідних портів, то довжина стрижня L повинна бути не менше 100 довжин хвиль, або 1 мм для випадку, наведеного вище. При акустичній швидкості c _с 1000 м/с нова хвиля може увійти в прилад після _{л/с s} = 10 ^-3 /1000 = 10 ^-6 секунд.

Пристрої поверхневих хвиль

Поки обговорювалися лише стискаючі акустичні хвилі, але акустичні зсувні хвилі також можуть генеруватися в твердих тілах і демонструвати більшість тих же хвильових явищ, як стискаючі хвилі, такі як наведення та резонанс. Домінуюча швидкість у зсувній хвилі поперечна напрямку поширення хвилі. Генеруючи зсувні хвилі на поверхні кварцових пристроїв та періодично навантажуючи ці поверхні механічно прорізами або металом, індукуються множинні відбиття, які, залежно від їх відстані відносно довжини хвилі, дозволяють будувати смугові та смугові фільтри, а також трансформатори, резонатори та спрямовані ответвители. Оскільки кварц має такий високий механічний Q, його часто використовують для побудови резонаторів High-Q на частотах МГц.