Особенности поверхностных акустических волн в неинерциальных системах отсчета, слоистых структурах и структурах с неоднородностями

Актуальность работы. В последние два десятилетия ученые, занимающиеся конструированием ПАВ приборов, уделяют внимание проблеме их использования в неинерциальных системах отсчета. Эти вопросы регулярно обсуждаются в научной литературе и на международных симпозиумах [1 -24]. Интерес к этим вопросам связан с тем, что в работе сложных измерительных систем, установленных в движущихся объектах и использующих приборы на ПАВ с высокой стабильностью фазовых характеристик, иногда появляются ошибки. В настоящее время в некоторых системах оборонного назначения и в системах радиоастрономических измерений с использованием наземного и космического телескопов требование к кратковременной стабильности (до суток) резонансной частоты резонаторов на ПАВ в диапазоне 100−300 МГц составляет 10″ 11. Для обеспечения такой стабильности недостаточно собственной термостабильности приборов на ПАВ и применяют дополнительное термостатирование до долей градуса. Для оценки стабильности таких устройств при эксплуатации необходимо было оценить влияние динамики прибора на его характеристики. Для ускоренного прямолинейного движения приборов на ПАВ наиболее достоверные результаты получены научной группой под руководством профессора Коссинского (США), что признано научным сообществом. Результаты их теоретических и экспериментальных исследований [19] показали, что чувствительность фазовых характеристик приборов на ПАВ при прямолинейном движении с ускорением составляет.

1 О.

10″ является несущественной для указанных требований к стабильности. В то же время результаты исследований влияния вращения на характеристики приборов на ПАВ были противоречивыми. С одной стороны, в работе научной группы под руководством профессора Янга (Китай) теоретически предсказывались высокая чувствительность и возможность создания датчиков угловой скорости на ПАВ [24]. С другой стороны многочисленные попытки создания таких приборов не увенчались успехом. Поэтому представляет теоретический и практический интерес выяснение причины этого противоречия. Этому вопросу посвящена первая глава диссертации.

Хорошо известно и подробно было изучено в множестве работ распространение различных типов волн в слоистых структурах. Была подробно изучена дисперсия скорости различных типов волн в однои многослойных кристаллических структурах. Однако в этом множестве работ не было обращено внимание на возможность дисперсии угла отклонения потока при распространении ПАВ в неосевых направлениях кристалла.

Впервые этот вопрос был рассмотрен в работе моего научного руководителя [25], в которой рассчитывалась дисперсия угла потока в структуре «металлическая пленка-пьезокристалл». Там была показана возможность достижения большой угловой дисперсии (до 20°) в широком диапазоне частот (до 500 МГц). На основе этих результатов был предложен чисто акустический частотный дефлектор [26], имеющий ряд преимуществ перед широко используемыми в настоящее время акустооптическими частотными дефлекторами.

Однако на частотах выше 1 ГГц поток энергии ПАВ сосредотачивается преимущественно в металлическом слое, поэтому резко растут потери на распространение, что затрудняет создание акустического дефлектора на основе такой структуры. В связи с реальной потребностью создания акустического частотного дефлектора требуется рассмотреть другие виды структур, в которых затухание ПАВ было бы значительно меньше. Очевидно, такие структуры должны содержать не аморфные, а монокристаллические пленки, например, нитрида алюминия, окиси цинка или полупроводниковую эпитаксиальную пленку антимонида индия, технология нанесения которых хорошо отработана.

Известно, что на частотах выше 3 ГГц резко возрастает затухание ПАВ из-за того, что длина волны ПАВ становится сравнимой с размерами неоднородностей на поверхности. Поэтому для создания приборов на таких частотах нужно переходить к приповерхностным объемным акустическим волнам (ПОАВ), которые слабо чувствуют неоднородности на поверхности. В слоистой структуре поток энергии ПОАВ почти параллелен поверхности, и для снижения затухания волны должен иметь максимальную плотность не в пленке, где потери велики, а в кристалле. Кроме того, волна должна иметь низкое дифракционное затухание. В начале 1980;х годов научной группой под руководством академика Ю. В. Гуляева был теоретически предсказан и затем экспериментально подтвержден эффект снижения затухания поперечных объемных акустических волн (ОАВ) в алюмоиттриевом гранате и алюмомагниевой шпинели при введении в кристалл небольшого количества редкоземельных примесей [27]. Данный эффект имеет чисто квантовую природу. В диссертации предложено исследовать возможность использования данного эффекта для создания высокочастотных (свыше 3 ГГц) интегральных акустоэлектронных приборов, использующих поперечную ПОАВ. Для возбуждения ПОАВ в слоистых структурах на основе АИГ[001] можно использовать только так называемый «ускоряющий» слой, который обеспечивает распространение акустической энергии преимущественно в кристалле. Для данных целей подходит структура А1М[001 ]/АИГ[001 ], поэтому необходимо провести расчеты возбуждения линейным источником всех возможных типов акустических волн в таких слоистых структурах и найти условия возникновения ПОАВ.

В последнее время в связи с широким применением закаленного стекла в строительстве высотных зданий, а также в автомобильной, авиационной, и космической промышленности участились случаи их спонтанного разрушения. Хотя эти стекла проверялись всеми существующими методами лазерной и ультразвуковой дефектоскопии и были признанные годными, тем не менее, бывают случаи их разрушения в процессе эксплуатации до достижения срока службы. Например, на МКС на данный момент произошло растрескивание и последующее закрытие 11 иллюминаторов из 25. Следовательно, в признанных годными стеклах остаются дефекты, которые не обнаруживаются существующими методами. С этой проблемой к нам обратились специалисты Саратовского Института Стекла.

Для современного контроля качества закаленного листового стекла требуется система достоверного определения наличия, положения и размеров всех микрои нанотрещин и дефектов в пластинах. Приставки микрои нано-относятся к ширине трещины. Длина трещины как минимум на три порядка больше, иначе происходит ее схлопывание. Микротрещины и свили (локальные дефекты) часто видны невооруженным глазом и, тем более, легко определяются лазерными методами. Но нанотрещины шириной менее 100 нм лазерное излучение не отражают и лазерными методами не обнаруживаются. Поэтому для дефектоскопии стекла наиболее распространены ультразвуковые методы, поскольку смещения в ультразвуковой волне составляют единицы ангстрем и даже нанотрещина шириной в 1 нм является для ультразвуковой волны непреодолимым препятствием. В широко применяющихся для обнаружения трещин в листовом стекле ультразвуковых дефектоскопах используется принцип эхо-локации, в котором источником и приемником является один клиновидный ультразвуковой преобразователь. Но таким методом возможно обнаружение только трещин, почти перпендикулярных направлению ультразвукового пучка, так как при другой ориентации ультразвуковой пучок отклоняется и отраженный от трещины импульс не возвращается на ультразвуковой преобразователь. Поэтому требуется использование нескольких приемных преобразователей. Кроме того, обычные дефектоскопы возбуждают в пластинах несколько мод Лэмба, распространяющихся с разными скоростями, что приводит к ложным сигналам и не позволяет точно определить количество, положение, размер и форму трещин.

Достоверное определение наличия, положения и размеров микрои нанотрещин и дефектов в пластинах при ультразвуковой локации возможно только при использовании нескольких приемных преобразователей и возбуждении преимущественно одной моды Лэмба. Причем выбранная мода должна иметь равномерное распределение плотности потока упругой энергии по всему сечению пластины.

Для решения проблемы надежного обнаружения нанотрещин в листовом стекле моим научным руководителем был предложен способ обнаружения трещин, в основе которого лежит обработка рассеянных сигналов многими приемниками [28]. Для его практической реализация, требуется построение метода расчета процесса возбуждения волны Лэмба с помощью клиновидного преобразователя объемной акустической волны, позволяющего находить наилучшие геометрические параметры клина и пластины и частоту ультразвука, метода расчета координат рассеивающих центров, а также провести конструирование и изготовление лабораторной установки для определения положения и размеров микрои нанотрещин, чему и посвящена третья глава диссертации.

Разрешение перечисленных проблем, проведенное в данной работе, вносит вклад в развитие современной радиоэлектроники и являются актуальным.

В соответствии с перечисленными задачами целью диссертационной работы является получение теоретических результатов анализа особенностей распространения ПАВ в неинерциальных системах отсчета, в слоистых кристаллических структурах, и теоретических и экспериментальных результатов по возбуждению и рассеянию на неоднородностях волн Лэмба.

Научная новизна:

1. Впервые были сформулированы граничные условия на поверхности упругого полупространства во вращающейся системе координат и проведено точное решение граничной задачи о влиянии силы.

Кориолиса, учитываемой как в уравнениях движения, так и в граничных условиях, на величину фазовой скорости ПАВ во вращающемся кристалле.

2. Показано, что влияние силы Кориолиса на девиацию скорости волн Рэлея, Гуляева-Блюстейна, вытекающей ПАВ и объемной поперечной волны может достигать 10″ 8 в относительных величинах при угловой скорости вращения 1 об/с.

3. Показано, что чувствительность приборов на ПАВ к вращению снижается при повышении частоты ПАВ, а также зависит от взаимной ориентации оси вращения и направления распространения ПАВ. Так, показано, что существует плоскость нулевой чувствительности, содержащая все возможные направления вектора угловой скорости, при которых девиация фазовой скорости ПАВ равна нулю, в частном случае — параллельно оси вращения.

4. Впервые теоретически исследована дисперсия угла отклонения потока энергии ПАВ в слоистой структуре «пьезоэлектрическая пленка-кристалл». Обнаружено, что в некоторых направлениях дисперсия угла отклонения потока энергии может составлять десятки градусов в полосе частот до 500 МГц вблизи кроссовера дисперсионных характеристик волновых мод слоистой структуры.

5. Впервые предложено для снижения потерь на распространение и повышения диапазона частот акустоэлектронных устройств использовать приповерхностную акустическую волну поперечного типа в слоистой структуре, содержащей «ускоряющую» пьезоэлектрическую пленку на поверхности кристалла алюмо-иттриевого граната (АИГ) с редкоземельными примесями.

6. Впервые показано, что в структуре, содержащей пленку A1N на поверхности АИГ существует приповерхностная акустическая волна поперечного SV-типа, в которой упругая энергия распространяется преимущественно в кристалле, а не в пленке, что обеспечивает аномально низкое затухание в СВЧ диапазоне.

7. Впервые строго решена полевая задача о преобразовании продольной объемной акустической волны в клиновидном преобразователе в волны Лэмба, получены частотные и угловые характеристики эффективности их возбуждения.

8. Найдены условия возбуждения необходимых для дефектоскопии мод Лэмба с требуемым распределением ультразвуковой энергии по сечению пластины.

9. Впервые экспериментально обнаружено рождение, уничтожение и пиннинг нанотрещин в листовом стекле при приложении и снятии нагрузки. Поэтому ультразвуковой контроль материала на неустойчивость к появлению нанотрещин нужно производить при знакопеременных напряжениях.

Ю.Впервые на созданной лабораторной установке и с помощью разработанного программного обеспечения получено распределение нанотрещин и локальных дефектов в листовом стекле.

Достоверность полученных в диссертации результатов основана на строгой постановке и решении граничных задач пьезоакустики и подтверждается хорошим соответствием результатов расчетов с экспериментальными и теоретическими результатами как других авторов, так и с экспериментальными результатами, полученными самим автором.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Условие равенства нулю механических напряжений на свободной поверхности упругого полупространства в неинерциальной (вращающейся) системе координат не выполняется вследствие действия силы Кориолиса на движущиеся частицы в кристалле, и граничное условие имеет вид.

40)(П)=40)(о)+ =о, оо 11 где сгг3(0)(О) — компоненты тензора механических напряжений на свободной поверхности при вращении с угловой скоростью Q, <тгз (0)(0) -компоненты тензора механических напряжений на свободной поверхности в инерциальной системе отсчета, FCor, i{ ^? *з)= 2psijkufik компоненты силы Кориолиса, действующей на частицу с координатой х3, движущейся со скоростью и, р — плотность, Syk — компоненты единичного антисимметричного тензора Леви-Чивитты, Q. k — компоненты вектора угловой скорости вращения кристалла.

2. -Множество направлений вектора угловой скорости, при которых девиация фазовой скорости ПАВ при вращении равна нулю, образует плоскость.

3. В слоистых структурах дисперсия угла отклонения потока энергии ПАВ максимальна вблизи кроссовера дисперсионных характеристик фазовой скорости волновых мод.

4. В структуре, содержащей пленку A1N на поверхности АИГ, существует приповерхностная акустическая волна поперечного SV-типа, в которой упругая энергия распространяется преимущественно в кристалле и вдоль поверхности раздела с пленкой, что обеспечивает низкое затухание сигнала в СВЧ диапазоне.

5. Достоверное определение наличия, положения, размеров и формы микрои нанотрещин и дефектов в пластинах при ультразвуковой локации возможно при возбуждении преимущественно одной моды Лэмба и использовании нескольких приемных преобразователей.

Практическая ценность работы:

Результаты, полученные в диссертационной работе, могут быть использованы для снижения погрешностей радиолокационных измерений за счет правильного расположения акустоэлектронных приборов в подвижных объектах, для разработки перспективных миниатюрных устройств обработки сигналов в системах РЭБ, а также для расширения диапазона работы акустоэлектронных устройств, изготавливаемых по планарной технологии. Разработка лабораторной установки контроля качества стекла проводилась по заказу Саратовского института стекла и ее развитием будет промышленная установка, отличающаяся от лабораторной большими размерами, большим количеством излучателей и приемников, расположенных на подвижном держателе размером не менее 1 м².

Личный вклад автора.

Автору принадлежит разработка алгоритмов и программ для расчета фазовых характеристик ПАВ в неинерциальных системах отсчета, в структурах с пьезоэлектрическим слоем, расчета угловых и частотных характеристик возбуждения волн Лэмба. Постановка задач, выбор методов решения и обсуждение полученных результатов были проведены автором совместно с научным руководителем. Создание лабораторной установки и получение экспериментальных результатов проведено совместно с А. В .Селифоновым.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на конференциях: FORUM ACUSTICUM 2011 27 June — 1 July, Aalborg, Denmark (EAA), XXIV сессия Российского акустического общества, Сессия Научного совета по акустике РАН, 12−15 сентября, Саратов.

Материалы работы использовались при выполнении проектов: Научный грант по программе «У.М.Н.И.К» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере по теме «Система неразрушающего контроля микрои нанотрещин в листовом стекле» (2010), Научный грант Committee for International Research and Education (CIRE) of the Acoustical Society of America (ASA) по теме «Nondistructive Control System of Microand Nanofractures in the Sheet Glass» (2011).

Публикации.

По результатам исследований, выполненных при работе над диссертацией, опубликовано 11 работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК, 4 статьи в трудах конференции, 3 статьи в региональных журналах и 2 тезисов в трудах конференции.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 130 страниц. Основной текст занимает 107 страниц, включая 59 рисунков и 1 таблицу.

Список литературы

содержит 85 наименований и изложен на 9 страницах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате проведенной работы цель, сформулированная в начале работы и определившая направление и методы исследования, достигнута.

Основываясь на достоверности используемых расчетов, были проведены исследования и получены следующие новые результаты:

— проведено теоретическое исследование влияния вращения на фазовые характеристики ПАВ в неинерциальных системах отсчета и найдены способы его снижения;

— проведено теоретическое исследование дисперсии угла отклонения ПАВ в структурах с пьезоэлектрическим слоем. Найдены условия, при которых величина угла отклонения потока энергии ПАВ в данных структурах достигает десятков градусов, что предоставляет возможность разработки интегрального акустического дефлектора;

— проведено теоретическое исследование приповерхностных акустических волн в структуре АШ/АИГ. Показана возможность снижения потерь на распространение в данной структуре, что позволит повысить диапазон частот акустоэлектронных устройств обработки сигналов;

— строго решена задача возбуждения волн Лэмба в пластине с помощью клиновидного преобразователя объемной акустической волны, определены наилучших угловые и частотные характеристики системы возбуждения волн Лэмба, создана лабораторная установка и экспериментально исследовано рассеяние волн Лэмба на микрои нанотрещинах и дефектах в листовом стекле. Исследована динамика образования нанотрещин под нагрузкой. Обнаружено, что нанотрещины в листовом стекле могут рождаться при приложении нагрузки и исчезать или оставаться при ее снятии. Это позволит исследовать наличие скрытых дефектов в листовом стекле.

В заключение считаю приятным долгом выразить благодарность моему научному руководителю доктору физико-математических наук, профессору С. Г. Сучкову за инициирование данной работы и постоянную помощь.