Российский фонд
фундаментальных
исследований

Физический факультет
МГУ им. М.В.Ломоносова
 

04.14 Методы измерений и инструменты

 

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

 

Конопацкая И.И., Пятаков П.А., Свадковский А.Н., Шуляпов С.А. «Автоматизированная система для измерения акустических полей излучателей мегагерцового диапазона частот в жидкости» XXXII сессия Российского акустического общества, 14–18 октября 2019 г., Москва, с. 33 (2019). 106 с.

При решении широкого круга прикладных задач постоянно возникают проблемы экспериментального измерения акустических полей излучателей ультразвука (УЗ) мегагерцового диапазона частот в воде. Во-первых, это необходимо для предсказания или объяснения результатов воздействия поля таких излучателей на вещество, например, на биологические ткани, если данные излучатели предназначены для использования в медицине или биологии. Во-вторых, сопоставление данных измерения акустического поля конкретного излучателя с результатами расчета позволяет подтвердить (или опровергнуть) верность выбранной теоретической модели, используемой для расчета проектируемых акустических систем, поскольку существует определенная сложность учета в расчетах эффектов неоднородности пластин излучателей, концевых эффектов закрепления пластин в корпусе и т.д. Проведение подобных измерений вручную требует существенных временных затрат, но не обеспечивает достаточные точность и детализацию измеряемого поля, поэтому важной задачей является автоматизация процесса измерений. Создана система автоматизированного измерения акустических полей в диапазоне частот 10 кГц–5 МГц, распространяющихся в жидкой среде. Поле давлений измеряется гидрофоном, перемещающимся относительно неподвижного излучателя, посредством устройства на основе трёхкоординатного станка PureLogic. При сканировании гидрофон движется с постоянной скоростью. Механическая точность позиционирования гидрофона составляет 0.1мм. Низкоуровневое управление перемещением гидрофона и контроль текущих координат осуществляется платой на базе микроконтроллера Arduino UNO. Электрический сигнал с гидрофона (после аналоговой фильтрации и усиления) регистрируется цифровым осциллографом. Возбуждающий сигнал c генератора на излучатель подается в импульсном режиме, чтобы избежать искажений поля в следствие переотражения от стенок бассейна. Генератор также осуществляет тактирование измерительной системы. Общее управление процессом измерения, а также обработку полученных данных, осуществляет программа, разработанная в среде LabView. Реализованная система, при сравнительно невысокой стоимости, обеспечивает высокие скорость, детализацию и повторяемость проводимых измерений. Кроме того, у пользователя есть возможность задания произвольной траектории сканирования, что обеспечивает гибкость в случае измерения сложной структуры поля. Ключевые слова: автоматизация, измерение гидроакустических полей

XXXII сессия Российского акустического общества, 14–18 октября 2019 г., Москва, с. 33 (2019). 106 с. | Рубрики: 04.14 06.22

 

Субботкин А.О., Пудовкин А.А., Кузнецов Г.Н. «Микрофонные системы типа "диполь" и "триполь" с неидентичными приемниками» XXXII сессия Российского акустического общества, 14–18 октября 2019 г., Москва, с. 85 (2019). 106 с.

Несмотря на большой опыт применения микрофонных дипольных и трипольных групп, в широко известной литературе подробно не рассматриваются подобные системы, состоящие из однотипных приемников с неидентичными амплитудными и фазовыми характеристиками. Изложенные в источниках теоретические основы не формулируют полной математической модели подобных микрофонных систем с идентичными и с неидентичными приемниками, что не позволяет определить все характеристики системы (например, частотный диапазон направленного приема), т.к. не приводится аналитическое выражение для ее чувствительности. В работе представлены следующие оригинальные теоретические результаты: Сформулирована математическая модель для микрофонных систем типа "диполь" и типа "триполь", состоящих из ненаправленных приемников (приемников звукового давления) с неидентичными амплитудными и фазовыми характеристиками; Выведены все основные аналитические выражения для характеристик микрофонной системы (чувствительность, направленность, уровень неравномерности чувствительности, коэффициенты деления); Проанализировано влияние неравномерности характеристик на коэффициенты деления "фронт-фланг" и "фронт-тыл" для "диполя" и "триполя"; Предложен способ перемещения зоны эффективного направленного приема "триполя" в пределах рабочего частотного диапазона системы; Предложен способ формирования эффективного направленного приема "триполя" во всем рабочем диапазоне системы. Ключевые слова: электроакустика, диполь, триполь, электрически комбинированные микрофонные системы, векторно-скалярный приемник

XXXII сессия Российского акустического общества, 14–18 октября 2019 г., Москва, с. 85 (2019). 106 с. | Рубрика: 04.14

 

Дембелова Т.С., Макарова Д.Н., Бадмаев Б.Б., Вершинина Е.Д. «Исследование вязкоупругих свойств в суспензии наночастиц импедансным методом» XXXII сессия Российского акустического общества, 14–18 октября 2019 г., Москва, с. 89-90 (2019). 106 с.

Характерные особенности наносуспензий позволяют их использовать в создании микроэлектромеханических систем (МЭМС), при создании систем транспортировки тепловой энергии, в нанотехнологиях различного назначения, при разработке новых лекарственных препаратов, смазочных материалов, лаков и красок. Все это требует всесторонних исследований их физических и переносных свойств. В работе приведены результаты исследований низкочастотной (105 Гц) сдвиговой упругости коллоидной суспензии наночастиц диоксида кремния SiO2, с размерами наночастиц 100 нм в полиэтилсилоксановой жидкости ПЭС-2 (1,25 масс.%) импедансным (аналогичным методу Мэзона) методом. На горизонтальную поверхность пьезокварца в виде прямоугольного бруска наносится слой исследуемой жидкости. Размер пьезокварца составляет 35×12×6 мм3, масса 6,82 г., резонансная частота 72,3 кГц. При тангенциальных колебаниях пьезокварца на резонансной частоте слой жидкости испытывает деформации сдвига, и в ней распространяется сдвиговая волна. При полном затухании сдвиговой волны в толстом слое жидкости действительный Δf1 и мнимый Δf2 сдвиги резонансной частоты стремятся к предельным значениям. Если у исследуемой жидкости мнимый Δf2 и действительный Δf1 сдвиги частот равны, то жидкость ньютоновская. Если же Δf2>Δf1, то суспензия обладает сдвиговой упругостью. Результаты эксперимента показали, что предельное значение мнимого сдвига резонансной частоты для исследованной суспензии Δf1=12 Гц, а действительный сдвиг Δf1 пренебрежимо мал. Видно, что Δf2 намного больше Δf1. Это говорит о том, что испытуемая суспензия обладает низкочастотной сдвиговой упругостью при частоте эксперимента. Рассчитанные значения действительного модуля сдвига G1=0,22·105 Па. Дальнейшие исследования показали, что с увеличением размеров наночастиц модуль сдвига суспензии растет, а с увеличением концентрации уменьшается. Таким образом установлено, что коллоидные суспензии наночастиц обнаруживают низкочастотную сдвиговую упругость. Ключевые слова: наносуспензия, пьезокварц, колебания, модуль

XXXII сессия Российского акустического общества, 14–18 октября 2019 г., Москва, с. 89-90 (2019). 106 с. | Рубрики: 04.14 06.11

 

Сапожников О.А. «Использование одномерной приёмной решётки с длинными элементами для измерения двумерной поперечной структуры ультразвукового пучка» XXXII сессия Российского акустического общества, 14–18 октября 2019 г., Москва, с. 97 (2019). 106 с.

Измерение пространственной структуры акустических полей является важной частью ультразвуковых исследований. При экспериментальном изучении ультразвука мегагерцового диапазона частот, используемого в неразрушающем контроле и медицине, соответствующие данные обычно собираются путем растрового сканирования поля с использованием одиночного приёмника малого размера. Таким способом осуществляется синтез двумерной решётки приёмников с количеством элементов порядка нескольких тысяч. Физических решёток такого типа пока не существует, поэтому указанный синтез является важным методом исследования полей. Некоторым недостатком является его времяёмкость, до нескольких часов. Более быстрый подход может быть основан на использовании линейной приёмной решётки, состоящей из нескольких десятков элементов малого размера, аналогичных используемым в ультразвуковых сканерах. При перемещении такой решётки в направлении, перпендикулярном её образующей, также можно синтезировать двумерную решётку, и такой синтез потребует гораздо меньшего времени сканирования по сравнению со случаем одиночного приёмника. Трудно преодолимым ограничением является сложность создания небольших приёмных элементов, обеспечивающих приемлемое отношение сигнал/шум. В настоящем докладе представлен альтернативный дизайн одномерной линейной решётки приёмников: вместо использования небольших элементов предлагается использовать узкие, но протяжённые элементы, с шириной менее половины длины волны и длиной, превышающей диаметр ультразвукового пучка. Элементы располагаются параллельно друг другу на плоской поверхности, а их количество подбирается таким, чтобы общая ширина решётки превышала диаметр исследуемого ультразвукового пучка. Благодаря своей протяжённости площадь элементов оказывается относительно большой, что обеспечивает высокий уровень сигналов. Более того, указанные сигналы элементов оказываются пропорциональными интегралам от акустического давления вдоль их образующих, т.е. фактически осуществляется запись проекции поля вдоль указанного направления. Алгоритм записи полного поля заключается в измерении сигналов на элементах при различных углах поворота решётки, устанавливаемых последовательно путём вращения решётки вокруг оси, перпендикулярной её поверхности. Экспериментально указанный поворот может быть легко осуществлён системой позиционирования с угловым перемещением. Процесс реконструкции аналогичен используемому в проекционной томографии и основан на применении пространственного спектрального алгоритма. Проведённое численное моделирование применительно к полям типичных ультразвуковых источников показало высокую точность восстановления двумерной поперечной структуры поля. Ключевые слова: акустическая голография, томография, сканирование ультразвукового поля

XXXII сессия Российского акустического общества, 14–18 октября 2019 г., Москва, с. 97 (2019). 106 с. | Рубрика: 04.14

 

Белоусов Ю.И., Степанов В.Б. «Оценка эквивалентной возмущающей силы по измеренной величине статистической вибрации конструкции» XXXII сессия Российского акустического общества, 14–18 октября 2019 г., Москва, с. 104 (2019). 106 с.

С использованием концепций статистической энергетической модели колебания механической структуры получено выражение для определения величины эквивалентной среднеквадратичной силы, способной вызвать колебания структуры с заданной среднеквадратичной вибрационной скоростью. Базовое соотношение модифицировано для проведения инженерного расчёта эквивалентной силы по измеряемой величине уровней виброускорения в полосах частот. Даны оценки возможных погрешностей расчёта. Приведен пример расчёта для отрезка стальной трубы, подкреплённой системой кольцевых ребер жёсткости. Ключевые слова: колебание структуры, эквивалентная сила, статистическая энергетическая модель

XXXII сессия Российского акустического общества, 14–18 октября 2019 г., Москва, с. 104 (2019). 106 с. | Рубрики: 04.14 04.15

 

Гордеев А.Б. «Экспериментальное обоснование применения ультразвукового фазового метода для измерения параметров вибрационных полей» XXXII сессия Российского акустического общества, 14–18 октября 2019 г., Москва, с. 106 (2019). 106 с.

Ключевые слова: виброперемещения, акустический, зондирование, частота, девиация

XXXII сессия Российского акустического общества, 14–18 октября 2019 г., Москва, с. 106 (2019). 106 с. | Рубрика: 04.14

 

Беседина А.Н., Кабыченко Н.В., Павлов Д.В., Волосов С.Г. «Инструментальные методы расширения амплитудно-частотной характеристики геофона» Сейсмические приборы, 55, № 3, с. 5-23 (2019)

Для решения различных инженерных задач часто требуется регистрация сигналов в диапазоне 0.1–2000 Гц. Нижняя граница этого диапазона выходит за пределы рабочей полосы геофонов. В данной работе рассмотрено расширение частотных характеристик геофона двумя способами: путем перемножения передаточных функций и путем введения отрицательного сопротивления. Оценены пределы применимости этих методов. Верхний предел скорости, регистрируемой геофоном, определяется зазором, в котором катушка смещается относительно рамки датчика. Нижний предел зависит от общего инструментального шума измерительного канала, основной вклад в который вносят броуновский шум механической колебательной системы и шум измерительной схемы. Прототип устройства был построен на основе перемножения передаточных функций. С помощью лабораторных измерений на вибрационном столе и записей микросейсмического шума было показано, что модифицированный геофон работает как датчик скорости с собственной частотой 2 Гц. Это значение зависит от микросейсмических условий места размещения измерительной системы. При регистрации сейсмичности с помощью модифицированного геофона удалось зарегистрировать массовые взрывы в камерах шахты и карьерные взрывы в диапазоне частот до 2 Гц. Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать вывод, что модифицированный геофон можно использовать для мониторинга локальной и региональной сейсмичности в качестве аналога короткопериодных сейсмометров.

Сейсмические приборы, 55, № 3, с. 5-23 (2019) | Рубрика: 04.14