Электростатика

нелинейный пьезоэффект
. 
Этот эффект сопровождается ди-
электрической нелинейностью, связанной с нелинейностью 
электрической индукцией относительно компонентов электри-
ческого поля
.

---

39 
2.1.3. Генераторы динамических неоднородностей 
Возбуждение динамических неоднородностей в виде аку-
стической волны в пьезоэлектрике осуществляется с помощью 
вложенных друг в друга групп электродов, которые получили 
название 
встречно-штыревых преобразователей
(ВШП). 
Другое название такой системы электродов - двухфазный 
преобразователь ПАВ. Две группы чередующихся электродов 
соединены шинами, которые в свою очередь подключены к ис-
точнику напряжения (рис. 2.4). При подаче на ВШП напряже-
ния каждая пара электродов возбуждает ПАВ. Если период пре-
образователя (
а 
+ 
b
) равен длине ПАВ, возникает явление аку-
стического синхронизма. В этом случае волны, возбуждаемые 
каждой парой электродов, имеют одинаковую фазу, и происхо-
дит когерентное сложение волн. 
Суммирование происходит за счет локальных деформа-
ций, образующихся под промежутками между электродами. 
Образовавшаяся деформация начинает перемещаться в оба на-
правления и достигает следующих промежутков как раз в тот 
момент, когда полуволна внешнего напряжения достигнет мак-
симума и вызовет деформацию под своими электродами. 
Сложение деформаций происходит при выполнении усло-
вия 
= 2(
a
+ 
b
) = 
v
a
/
f
, 
(2.3) 
где 
, v
a
, 
f–
соответственно длина, скорость и частота зву-
ковой волны.
Такая картина происходит под каждой парой ВШП. Чем 
больше штырей содержит преобразователь, тем эффективней 
происходит преобразование электрической энергии в механиче-
скую, и наоборот. 

---

40 
Рис. 2.4. Возбуждение ПАВ с помощью ВШП:
а
– топология ВШП; 
б 
– схема возникновения
акустических волн (сечение АА) 
Генерацией динамических неоднородностей можно эф-
фективно управлять путем изменения характеристик преобра-
зователей ПАВ. Исследовано несколько способов управления 
генерацией ПАВ. 
Первый способ предусматривает управление генерацией 
ПАВ путем изменения топологии ВШП, включая изменение 
числа штырей, их расстановку, варьирование функции аподиза-
ции или изменения длины отдельных электродов (штырей) или 
их групп, изменение полярности отдельных штырей или их 
групп. Устройство с управляемой топологией электродов ВШП 
предусматривает изменение топологии путем перекоммутации 
отдельных электродов или их групп относительно общих шин 
преобразователя. Устройства такого типа обладают достаточно 
широким диапазоном перестройки характеристик в частотной и 
временной областях, их параметры приближаются к предельно 
достижимым. Технологические приемы изменения топологии 
сводятся к проекционным методам, либо навешиванию дис-
кретных элементов и проволочных межсоединений. 
Другой способ управления генерацией ПАВ связан с опе-
рацией «взвешивания» электродов преобразователей, которая 
реализуется за счет изменения количества активных пар ВШП. 
Это позволяет менять ширину полосы генерации ПАВ и, следо-
вательно, изменять характеристики динамических неоднород-

---

41 
ностей. На рис. 2.5, 
а 
представлена конструкция дискретно-
управляемого ВШП, позволяющая получить набор амплитудно-
частотных характеристик генерируемых ПАВ с различной ши-
риной пропускания, но одинаковой для всех центральной час-
тотой (рис. 2.5, 
б
). 
Рис. 2.5. Генерация ПАВ с различными АЧХ (
а
) и
схема коммутации пар ВШП (
б
) 
Преобразователь разбит на секции 
а, b, с
с числом штырей 
1, 2 и 4, соответственно. Количество каналов 
К 
определяется 
числом секции 
п 
и равно
К = 
2
n
– 1. 
В схеме коммутации предусмотрены усилители, и обеспе-
чивается контроль выходных параметров за счет применения 
электронных переключающих схем. 
Устройство с управляемым «взвешиванием» электродов 
представляет собой целенаправленное изменение эффективно-
сти преобразования энергии, осуществляемого каждой парой 
электродов или их группой путем подключения к электродам 
управляемых импедансных элементов. Это могут быть рези-
стивные, емкостные или индуктивные элементы, а также их 
комбинации. 
Третий способ опирается на управление электрофизиче-
скими свойствами подложки под электродами. Мгновенная фа-
за ПАВ, генерируемая каждой парой ВШП, зависит от знака 

---

42 
пьезоэлектрического коэффициента. В свою очередь знак пье-
зоэлектрического коэффициента может быть изменен перепо-
ляризацией в полном соответствии с гистерезисными свойства-
ми материала. Такой прием позволяет управлять процессами 
генерации ПАВ, создать адаптивные устройства с «памятью». 
На рис. 2.6, 
а
приведена одна из таких конструкций. Рядом с 
электродами ВШП (1) размещены электроды переключения по-
ляризации (2), подключенные к источнику поляризующего на-
пряжения
Е
-

п

+
. 
Это позволяет менять знак поляризации 
материала звукопровода между металлическим электродом (3)и 
электродами (2)одновременно или путем перекоммутации ло-
кально под каждой парой ВШП. Варьируя значениями 
U
п
и 
U
вх
, 
можно эффективно управлять генерацией ПАВ. 
Рис. 2.6. Конструкция адаптивного генератора ПАВ (
а
) и
гистерезис пьезоэлектрического звукопровода (
б
) 
Двухфазные преобразователи позволяют генерировать ко-
лебания в обе стороны звукопровода «симметрично», другими 
словами, 50 % энергии направо и 50 % энергии налево. Однако 
можно управлять и направлением генерации ПАВ. С этой це-
лью целесообразно использовать многофазные преобразовате-
ли, позволяющие синфазно подпитывать волну в заданном на-
правлении (рис. 2.7, 
а
)
. 
Фазовое распределение подбирается 

---

43 
так, чтобы в обратном направлении условие синфазности не 
выполнялось. Однако полоса пропускания трехфазного преоб-
разователя определяется протяженностью ВШП и ограничена. 
Для расширения полосы пропускания и достижения однона-
правленности генерации предложен преобразователь бегущей 
волны (рис. 2.7, 
б
). Каждый из электродов ВШП запитывается 
от одного из отводов электрической линии задержки. Линия за-
держки рассчитывается так, что время задержки между сосед-
ними отводами равно времени распространения ПАВ между 
соседними электродами. Это резко несимметричный генератор 
ПАВ, обеспечивающий строго однонаправленную генерацию. 
Рис. 2.7. Трехфазный (
а
) и многофазный (
б
) генераторы ПАВ 
Эффективное управление генерацией осуществляется пу-
тем подбора необходимых топологических и технологических 
параметров.