Российский фонд
фундаментальных
исследований

Физический факультет
МГУ им. М.В.Ломоносова
 

04.11 Излучение источников, импеданс, картины полей

 

Бритенков А.К., Фарфель В.А., Боголюбов Б.Н. «Электроакустические характеристики экспериментального преобразователя продольно-изгибного типа со сложной формой излучающей оболочки» XXXII сессия Российского акустического общества, 14–18 октября 2019 г., Москва, с. 19-20 (2019). 106 с.

Современный гидроакустический преобразователь представляет собой технически сложное устройство, являющиеся совокупностью механических и электрических цепей, в котором происходит преобразование электрической энергии сигнала в механические колебания окружающей среды. Особую сложность при расчетах и в производстве имеют компактные гидроакустические преобразователи (размером корпуса менее 60 см) ввиду прямой зависимости КПД излучателя и его рабочей частоты от его волнового размера, что в значительной степени определяется габаритами преобразователя и в меньшей – его конструктивным устройством. Наибольшую эффективность и технологичность изготовления имеют преобразователи продольно-изгибного типа с пьезоэлектрическими активными элементами, использующими принцип механического трансформатора, нагруженного на активно-реактивную нагрузку. Проблемой традиционных преобразователей продольно-изгибного типа является герметизация щелей, выполняемых для снижения рабочей частоты, которая определяется поперечной жёсткостью корпуса. Альтернативным способом снижения поперечной жёсткости корпуса является волнообразное гофрирование излучающего элемента, что снимает проблемы герметизации, увеличивает эффективную площадь излучения при одинаковых габаритных размерах преобразователя и увеличивает чувствительность излучателя. Разработанный гидроакустический излучатель с корпусом из титанового сплава Ti-6Al-4V, имеет основной резонанс в воздухе на частоте 4 кГц, в воде на частоте около 1,7 кГц. Такой излучатель на базе пьезокерамического активного элемента из 8 колец ЦТБС-3 36×14×8 мм, имеет чувствительность на резонансной частоте до 1 Па·м/В, при ширине полосы 25%, КПД до 26%. Ресурсные испытания в количестве более 1010 циклов подтверждают устойчивость излучателя к циклическим нагрузкам. Подобный компактный излучатель может найти применение для малогабаритных и миниатюрных гидроакустических систем, модемов, устройств управления в диапазоне частот от 1,6–2,5 кГц и до 12–18 кГц. Ключевые слова: гидроакустический излучатель, пьезоэлектрический преобразователь продольно-изгибного типа, гидроакустическая система, электроакустические характеристики излучателя, звуковое поле

XXXII сессия Российского акустического общества, 14–18 октября 2019 г., Москва, с. 19-20 (2019). 106 с. | Рубрика: 04.11

 

Вировлянский А.Л., Дерябин М.С. «Реконструкция поля излучателя звука в свободном пространстве по измерениям его поля в лабораторном бассейне» XXXII сессия Российского акустического общества, 14–18 октября 2019 г., Москва, с. 30 (2019). 106 с.

Показано, что комплексная амплитуда поля излучателя звука в свободном пространстве может быть восстановлена по измерениям поля, возбужденного этим излучателем в области с отражающими границами. Для решения задачи применен метод эквивалентных источников, в рамках которого поле излучателя аппроксимируется суперпозицией полей акустических монополей, расположенных в узлах кубической решетки. Ключевое предположение заключается в том, что один и тот же набор монополей с теми же самыми амплитудами моделирует поле излучателя и в свободном пространстве, и в бассейне с отражающими границами. Амплитуды монополей реконструируются по измерениям поля излучателя в бассейне. Решение этой обратной задачи требует знания функции Грина, то есть поля акустического монополя. Необходимые значения данной функции измеряются с использованием процедуры, которая названа калибровкой бассейна. Она заключается в том, что эталонный акустический монополь поочередно помещается в точки расположения эквивалентных источников и его сигналы, излучаемые из этих точек, регистрируются всеми приемниками. Амплитуды эквивалентных источников подбираются таким образом, чтобы суперпозиция их полей в точках приема наилучшим образом аппроксимировала измеренные в этих точках амплитуды сигналов от излучателя. После этого поле излучателя в свободном пространстве вычисляется с использованием найденных амплитуд эквивалентных источников и известного выражения для функции Грина. Работоспособность предложенного подхода продемонстрирована в лабораторном эксперименте с помощью комплекса автоматизированных акустических измерений. Ключевые слова: излучатель звука, реконструкция поля, метод эквивалентных источников, лабораторный бассейн

XXXII сессия Российского акустического общества, 14–18 октября 2019 г., Москва, с. 30 (2019). 106 с. | Рубрики: 04.11 07.19

 

Смирнов А.В., Кузнецова И.Е., Недоспасов И.А. «Нераспространяющиеся акустические волны в пьезоэлектрических пластинах» XXXII сессия Российского акустического общества, 14–18 октября 2019 г., Москва, с. 35-36 (2019). 106 с.

Из литературы известно о существовании акустических волн с чисто мнимыми или комплексными волновыми числами, так называемые нераспространяющиеся волны. В случае чисто мнимого волнового числа, либо при значительном превышении мнимой части волнового числа над его реальной частью, нераспространяющаяся мода соответствует вибрации вблизи источника внешней силы, экспоненциально затухает при удалении от источника и не переносит энергию Дисперсионные зависимости для подобного типа волн были получены для изотропных и пьезоэлектрических пластин кубической симметрии. В основном исследовались недиссипативные среды, в которых вязкость материала полагалась равной нулю. При существовании частотной области, когда действительная часть волнового числа больше, чем его мнимая часть существует условие для распространения этой волны на короткое расстояние. Существование нераспространяющихся волн Лэмба было экспериментально подтверждено на краях пластины. Интерес к исследованию подобных волн связан с возможностью их использования при неразрушающем контроле. В связи с близостью этих волн к частоте отсечки они должны быть также очень чувствительны к изменению свойств окружающей среды, что позволит создать на их основе высокочувствительные химические акустоэлектронные датчики. В настоящей работе предложен новый метод обнаружения нераспространяющихся акустических волн в пьезоэлектрических пластинах. Проведен теоретический анализ дисперсионных кривых волн S1 и SH1 в YX-LiNbO3 и YX-KNbO3, вблизи точки нулевой групповой скорости. Обнаружена ветвь, соответствующая нераспространяющимся акустическим волнам. Найден частотный диапазон, где действительная часть фазовой скорости больше, чем мнимая. В этой области мода является обратной волной, так как характеризуется противоположно направленными фазовой и групповой скоростями. Методом конечных элементов был смоделирован набор встречно-штыревых преобразователей, размещенных на поверхности пластины LiNbO3 Y-среза, с различными пространственными периодами. Были обнаружены резонансные частоты, соответствующие нераспространяющейся S1 моде. Из-за близости этой волны к точке нулевой групповой скорости ее свойства должны быть чрезвычайно чувствительными к изменению качества волновода и окружающей среды. Это открывает возможность использовать эти волны для разработки высокочувствительных датчиков и неразрушающего волноводного анализа. Ключевые слова: нераспространяющиеся волны, обратные волны, точка нулевой групповой скорости, метод конечных элементов

XXXII сессия Российского акустического общества, 14–18 октября 2019 г., Москва, с. 35-36 (2019). 106 с. | Рубрики: 04.11 04.15

 

Боженко А.Н., Пахов В.В., Зверев А.Я. «Сравнительные исследования всенаправленных источников акустического излучения в форме многогранников» XXXII сессия Российского акустического общества, 14–18 октября 2019 г., Москва, с. 48-49 (2019). 106 с.

Были проведены сравнительные исследования диаграмм направленности и характеристик двух всенаправленных источников акустического излучения, выполненных в форме многогранников. Источник акустического излучения КАИ-А1 представляет собой тело додекаэдрической формы, с установленными в каждой грани динамиком UralAS-130. Динамики источника подключены в последовательно-параллельную сеть для обеспечения синфазной работы и требуемого значения импеданса для усилителя звуковой частоты. Ближайший серийный аналог такого устройства – источник звукового излучения Bruel&Kjaer OmniPower type 4292L. OmniPower 4292-L использует 12 динамиков в додекаэдральной конфигурации для равномерного излучения звука со сферическим распределением. Все динамики подключены в последовательно-параллельную сеть, чтобы обеспечить как синфазную работу, так и полное сопротивление, соответствующее усилителю мощности. Измерения диаграмм направленности и звуковой мощности, излучаемой различными источниками звука, проводятся, как правило, в заглушенной камере. В рамках данной работы такие измерения были проведены в заглушенной камере стенда АК-11 (ЦАГИ, г. Дубна). Для получения трехмерных диаграмм направленности в заглушенной камере сконструировано и установлено сферическое координатное устройство. Оно представляет собой легко устанавливаемую/разбираемую деревянную конструкцию, на которой закреплена вращающаяся металлическая рама в виде дуги полуокружности радиуса 1.8 м. На раме установлен ряд микрофонов. В центр дуги подвешивается источник шума, характеристики которого требуется определить. Рама с микрофонами вращается на любой угол в пределах 0–330°. В результате испытаний может быть получено распределение уровней звукового давления от источника по сферической поверхности радиуса 2м, или, другими словами, сферическая диаграмма направленности источника. В работе представлены диаграммы направленности двух однотипных всенаправленных источников акустического излучения, их анализ и сравнение характеристик акустического излучения источников в треть-октавных полосах. По результатам работы сделан вывод о равномерности диаграммы направленности источника КАИ-А1 и его потенциальной пригодности к различным видам акустических исследований. Ключевые слова: источник звука, диаграмма направленности, аэроакустика

XXXII сессия Российского акустического общества, 14–18 октября 2019 г., Москва, с. 48-49 (2019). 106 с. | Рубрика: 04.11

 

Теплых А.А., Зайцев Б.Д., Бородина И.А., Семенов А.П. «Особенности моделирования щелевой моды акустической волны в структуре из двух пьезопластин конечных размеров» XXXII сессия Российского акустического общества, 14–18 октября 2019 г., Москва, с. 87 (2019). 106 с.

Рассматривается щелевая мода акустической волны, которая распространяется в структуре, состоящей из двух пьезопластин, разделенных узким вакуумным зазором. Когда обе пластины имеют бесконечную длину, эта волна хорошо описывается полуаналитической теорией. Бегущая акустическая волна в одной пьезопластине создает квазистатическое периодическое электрическое поле с периодом, равным длине волны, которое проникает в вакуум и возбуждает акустическую волну в другой пьезопластине. Однако когда верхняя пластина имеет конечную длину порядка 10 длин волн, в эксперименте по измерению частотных зависимостей вносимых потерь в такой системе наблюдаются хорошо выраженные равноудаленные резонансные пики затухания. Это означает, что на определенных частотах потери резко возрастают, что может объясняться возникновением в верхней пластине стоячей акустической волны и перекачкой энергии из нижней в верхнюю пластину. Полуаналитическая теория неспособна объяснить этот эффект. Поэтому в данной работе описаны особенности моделирования щелевой моды на основе поперечно-горизонтальной акустической волны нулевого порядка SH0 в структуре из двух пьезопластин ниобата лития конечной длины при помощи метода конечных элементов. Модель включает в себя обе пьезопластины, окружающий их вакуум, а также излучающий и приемный ВШП на нижней пластине. В результате были рассчитаны зависимости вносимых потерь и фазы сигнала, которые хорошо количественно соответствуют результатам эксперимента. Показано, что электрические граничные условия на верхней стороне верхней пластины сильно влияют на характер резонансных пиков затухания, что делает эту структуру пригодной для анализа проводящих жидкостей, находящихся в контакте с верхней пластиной.

XXXII сессия Российского акустического общества, 14–18 октября 2019 г., Москва, с. 87 (2019). 106 с. | Рубрика: 04.11

 

Алексеев С.Г., Лузанов В.А., Ползикова Н.И. «Оптимизация процесса осаждения пьезоэлектрических пленок с наклонной ориентацией оси текстуры с помощью метода акустической резонаторной спектроскопии» XXXII сессия Российского акустического общества, 14–18 октября 2019 г., Москва, с. 87-88 (2019). 106 с.

На сегодняшний день наиболее распространенным методом осаждения пьезоэлектрических плёнок на неориентирующие металлизированные подложки является метод магнетронного реактивного распыления в вакууме (МРР). Преимущества метода состоят в высокой однородности получаемых пленок, в достаточно высокой скорости осаждения, в относительно низких температурах осаждения. Поскольку для ряда приложений возникает необходимость возбуждения сдвиговых (S) акустических волн, в последнее время значительное внимание уделяется способам получения пьезоэлектрических пленок, ось аксиальной текстуры которых наклонена по отношению к ее нормали. Например, для акустических сенсоров, работающих в жидкой среде, возбуждение S-волн является принципиальным, поскольку в отличие от продольных, компрессионных волн, они не передают энергию в жидкость и вследствие этого испытывают гораздо меньшее затухание. Наклон оси [0001] пленок, осаждаемых методом МРР, достигается за счет создания преимущественно наклонного падения осаждаемых частиц на плоскость подложки. В нашем методе необходимый наклон оси текстуры пьезоэлектрических пленок обеспечивается боковым смещением подложки от центра мишени. Для создания необходимой конфигурации магнитного поля при магнетронном разряде была изготовлена специальная магнитная система, в которой обеспечивалось двукратное превышение напряженности магнитного поля по краю мишени по сравнению с центральной областью. При осаждении пьезоэлектрических пленок ZnO и AlN методом МРР в качестве подложек использовались покрытые поликристаллическим алюминием пластины кремния. Ориентирующее влияние подложки в этом случае исключается. Подложки располагались параллельно плоскости мишени на различных расстояниях от проекции центра мишени, а также на разных расстояниях от плоскости мишени. В недавней работе по оптимизации процесса осаждения пленок ZnO с наклоненной осью текстуры для контроля наклона оси текстуры применялся метод рентгеноструктурного анализа. В настоящей работе этот метод применяется одновременно с методом акустической резонаторной спектроскопии (АРС). Метод АРС позволяет получать частотные зависимости эффективной константы электромеханической связи keff в полученной пленке. Выбором положения подложки, при котором достигается максимальное значение keff, осуществляется оптимизация процесса осаждения пьезоэлектрических пленок с наклонной ориентацией оси текстуры. Ключевые слова: пьезоэлектрик, акустическая резонаторная спектроскопия, ZnO, AlN, наклонная ось текстуры

XXXII сессия Российского акустического общества, 14–18 октября 2019 г., Москва, с. 87-88 (2019). 106 с. | Рубрика: 04.11

 

Глебова Г.М., Кузнецов Г.Н. «Оценка направленности излучения протяженным многоэлементным источником в волноводе с использованием векторно-скалярной антенны» XXXII сессия Российского акустического общества, 14–18 октября 2019 г., Москва, с. 100 (2019). 106 с.

Рассмотрена задача оценки направленности излучения движущимся протяженным источником, акустическая модель которого может быть представлена совокупностью распределенных вдоль апертуры элементарных источников монопольного типа. Учитывается распределение звуковой энергии вдоль апертуры и корреляционные характеристики источников. Предполагается, что измерения выполняются на фоне шумов моря, протяженный источник перемещается, пространственно-развитая многоэлементная антенна стационарна. Получены аналитические соотношения и с использованием компьютерного моделирования выполнен расчет точности оценки параметров каждого элементарного источника для алгоритмов, работающих с различными компонентами векторно-скалярного акустического поля. Результаты сравниваются с оценками погрешностей, полученных с использованием только скалярных приемников. Показано, что суперпозиция малошумных источников, параметры которых были вычислены при решении обратной задачи в волноводе, достаточно точно формирует поле, эквивалентное протяженному многоэлементному источнику. Наилучшие результаты получены при обработке сигналов c использованием потоковой векторно-скалярной компоненты акустического поля. Пространственные характеристики (направленность излучения) эквивалентного протяженного источника в этом случае оцениваются с наименьшей погрешностью. Ключевые слова: векторно-скалярная многоэлементная антенна, многокомпонентный протяженный источник, пространственная корреляция, решение обратной задачи, минимизация функционала.

XXXII сессия Российского акустического общества, 14–18 октября 2019 г., Москва, с. 100 (2019). 106 с. | Рубрика: 04.11

 

Винокуров Д.К. «Классификация методов расчёта диффузных угловых коэффициентов излучения» Математическое моделирование, 31, № 12, с. 57-70 (2019)

Приводятся результаты систематизации существующих методов определения диффузных угловых коэффициентов (УК) при расчете переноса излучения в зональной модели в системе тел с поверхностями сложной формы при решении задач определения температур конструкции, освещённостей поверхностей, построения реалистичных изображений и др. в различных отраслях: космической, светотехнике, строительстве, энергетике, прикладной оптике, компьютерной графике и пр. Предлагается классификация методов определения УК по источникам погрешностей, возникающих при расчётах. Выделены четыре класса методов: точные, специальные, численного интегрирования, комбинированные. Проведено распределение методов по классам. Приведены исходные формулы и формулы для численного определения УК. Полученная классификация методов позволит пользователям и разработчикам компьютерных программ расчёта УК сориентироваться в многообразии методов и выбрать из них наиболее адекватные для решения своей задачи, а также может быть положена в основу построения обобщённого алгоритма и программного комплекса расчёта диффузных УК для широкого класса задач.

Математическое моделирование, 31, № 12, с. 57-70 (2019) | Рубрика: 04.11

 

Винокуров Д.К. «Построение обобщенного алгоритма расчёта диффузных угловых коэффициентов излучения» Математическое моделирование, 32, № 1, с. 71-84 (2020)

Рассмотрено построение обобщенного алгоритма расчёта диффузных угловых коэффициентов излучения (УК). В основу обобщенного алгоритма положено разделение существующих расчётных алгоритмов на две группы (парные и «один ко многим»), а также результаты проведенного исследования возможных комбинаций сеточных и расчетных методов (точные, специальные, численного интегрирования и комбинированные) для средних, локальных и элементарных УК. Сеточные методы представлены как совокупность объекта, на который налагается сетка (поверхность, контур, телесный угол), типа сетки (выделены сетки 1-го и 2-го типа) и способа её построения (детерминированным, статистическим, гибридным или иерархическим методом). Получена общая схема применения сеточных методов в алгоритмах расчета УК. Обобщенный алгоритм расчета УК представлен в виде ориентированного графа, который, по сути, является обобщённой блок-схемой, содержащей практически все существующие и возможные алгоритмы расчёта УК. Полученные результаты могут быть положены в основу программного комплекса расчёта УК для широкого класса задач.

Математическое моделирование, 32, № 1, с. 71-84 (2020) | Рубрика: 04.11

 

Калашник М.В., Чхетиани О.Г. «Оптимальные возмущения в развитии неустойчивости свободного слоя сдвига и системы из двух встречных струйных течений» Известия РАН. Механика жидкости и газа, № 23, с. 28-41 (2020)

Развивается аналитический подход к определению оптимальных возмущений, пригодный для течений с кусочно-постоянным распределением завихренности. Подход опирается на уравнение баланса энергии возмущений и явные выражения для скорости роста энергии или отношения конечной и начальной энергий. Соответствующие выражения являются функциями начальных параметров и из исследования этих функций на экстремум находятся параметры оптимальных возмущений. В рамках подхода рассмотрены классическая задача Рэлея о неустойчивости свободного слоя сдвига и задача о неустойчивости системы из двух встречных струйных течений во вращающемся слое мелкой воды. Проведено сопоставление параметров оптимальных возмущений с параметрами растущих нормальных мод.

Известия РАН. Механика жидкости и газа, № 23, с. 28-41 (2020) | Рубрика: 04.11

 

Белянин А.Ф., Багдасарян А.С., Налимов С.А. «Пьезоэлектрические пленки AlN, выращенные реактивным ВЧ-магнетронным распылением» Наукоемкие технологии, 20, № 7, с. 25-34 (2019)

Постановка проблемы. Для изготовления устройств электронной техники перспективными являются слоистые структуры на основе веществ, характеризующихся комплексом уникальных свойств. К таким веществам относится AlN, который обладает свойством автоэлектронной эмиссии, является пьезоэлектрическим и широкозонным полупроводниковым материалом и имеет высокие твердость, теплопроводность, скорость звука, стабильность при высоких температурах. Для создания СВЧ-устройств акустоэлектроники в качестве пьезоэлектрика перспективен AlN, как материал, обладающий сильным пьезоэлектрическим эффектом. Основной фактор, определяющий достижение и воспроизводимость необходимых физико-химических свойств пленок AlN, в частности, пьезоэлектрических – это строение пленки. Для решения проблемы получения пленок с упорядоченным атомным строением перспективны методы распыления, в частности, магнетронное распыление, при применении которого нет ограничений по температуре синтеза и требований к материалу подложек. Недостатком выращивания пленок методом магнетронного распыления является получение многофазного материала, что требует тщательной отработки условий синтеза и контроля свойств получаемых веществ. Цель. Исследовать взаимосвязь условий синтеза пленок AlN с их строением и пьезоэлектрическими свойствами. Результаты. Методом реактивного ВЧ-магнетронного распыления на подложках аморфных и кристаллических материалов выращены пленки AlN толщиной от 10 нм до 10 мкм. Установлено, что пленки AlN состоят из рентгеноаморфной и аксиально текстурированной по <0001> кристаллической фаз. С использованием электронной микроскопии, рентгеновской дифрактометрии, энергетической дисперсионной спектроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния света изучено влияние условий синтеза на состав и строение пленок AlN. Показаны спектры комбинационного рассеяния света пленок AlN с различным содержанием и строением кристаллической фазы. Пьезоэлектрическую эффективность пленок определяли на макетах линий задержки на поверхностных акустических волнах. Практическая значимость. Понимание особенностей кристаллизации и фазовых превращений при выращивании пленок методами распыления способствует созданию слоистых структур с управляемыми значениями функциональных свойств и эксплуатационных характеристик. Показана возможность контролировать пьезоэлектрическую эффективность пленок AlN по спектрам комбинационного рассеяния света. Ключевые слова: пленки нитрида алюминия, магнетронное распыление, пьезоэлектрические материалы, устройства на поверхностных акустических волнах, спектроскопия комбинационного рассеяния света.

Наукоемкие технологии, 20, № 7, с. 25-34 (2019) | Рубрики: 04.11 04.14