§ 4. Акустические свойства

К акустическим свойствам относятся свойства, связанные с генерацией, обнаружением и различными видами взаимодействия со средой упругих колебаний и волн от самых низких частот (от 0 Гц) до предельно высоких (10¹¹ – 10¹² Гц).

Диапазон частот от 16 Гц до 20кГц улавливается органами слуха человека, диапазон ниже 16 Гц относится к инфразвуку, выше 20 кГц – к ультразвуку, высокочастотный диапазон 10¹² – 10¹³ Гц – к гиперзвуку.

Особым случаем акустических волн являются поверхностные акустические волны (ПАВ). Эти волны распространяются вдоль свободной поверхности твердого тела или вдоль границы твердого тела с другими средами. При удалении от границы эти волны затухают.

ПАВ бывают двух видов:

1) с вертикальной поляризацией, когда упругие колебания частиц среды под воздействием ПАВ происходят в плоскости вертикальной границе;

2) с горизонтальной поляризацией, когда эти колебания параллельны границе и перпендикулярны направлению распространения волны.

Упругие акустические волны генерируются любыми явлениями, вызывающими местное изменение давления или механические напряжения. Разные источники генерируют акустические волны разной частоты.

Распространение акустических волн характеризуется скоростью звука с_з. Скорость звука очень мала по сравнению со скоростью оптических излучений (света). Она зависит от агрегатного состояния и природы материала: с_з в газах меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях меньше, чем в твердых телах. В таблице 1.4. приведены значения скорости звука для некоторых веществ.

Таблица 1.4. Скорость звука в веществах

№	вещество	Скорость звука сз, м/с
1	Воздух	331
2	Водород	1284
3	Вода	1490
4	Ртуть	1453
5	Золото	3200
6	Стекла	3760 – 4800
7	Железо	5900
8	Плавленый кварц	5970
9	Алюминиевые сплавы	6000

В изотропных твердых телах с_з зависит от модулей упругости, в анизотропных твердых телах скорость звука анизотропна. В пьезо- и сегнетоэлектриках с_з зависит не только от модулей упругости, но и от пьезомодулей и напряженности электрического поля, в ферромагнетиках – от напряженности магнитного поля.

Измерение с_з используется для определения модулей упругости твердых тел, дебаевской температуры, для исследования зонной структуры полупроводников, определения уровня Ферми в металлах и др.

При распространении звуковой волны происходит поглощение звука, значительно более слабое, чем поглощение оптических излучений. Поглощение связано с переходом энергии звуковой волны в другие формы энергии, в основном в тепловую. Следствием такого поглощения является затухание звука, то есть уменьшение его интенсивности и амплитуды.

При распространении акустических волн большой интенсивности (амплитуды), как и при прохождении оптического излучения большой интенсивности, наблюдается явление нелинейности. При этом дифракция волн и рассеяние звука становятся зависящими не только от частоты и скорости звуковой волны, как в линейной акустике, но и от амплитуды волны, синусоидальная форма искажается, возникают давление звукового излучения и др.

Эффект нелинейности связан с тем, что при распространении акустических волн большой интенсивности изменяются свойства самой среды, что сказывается на распространении как данной волны, так и других возмущений.

Особое значение в электронике имеет взаимодействие акустических волн с электронами – акустоэлектронное взаимодействие (АЭВ) и с электронными волнами – акустооптическое взаимодействие (АОВ).

АЭВ проявляет себя при ультразвуковых и гиперзвуковых колебаниях частотой 10⁷ – 10¹³ Гц, когда под воздействием распространяющейся акустической волны происходит упругая деформация решетки кристалла и изменение его внутрикристаллического поля. При этом энергия и импульс ультразвуковой и гиперзвуковой волн передаются электронам проводимости (частный случай электрон-фононного взаимодействия).

Передача энергии приводит к дополнительному электронному поглощению звука и разогреву электронного газа, а передача импульса – к возникновению тока или э.д.с. в металле или полупроводнике (акустоэлектрический эффект) в направлении распространения звука (эффект увлечения). Кроме изменения электропроводности, АЭВ изменяет теплоемкость и теплопроводность.

Механизм АЭВ различен для кристаллов разной природы. В ионных кристаллах и металлах имеет место ионное взаимодействие – акустическая волна смещает ионы из положения равновесия, возникают ионный ток и поле, действующее на электроны проводимости.

В ряде полупроводников (Ge. Si) и полуметаллов (Bi, Sb, As) реализуется потенциал – деформационное взаимодействие – под взаимодействием ультразвуковой волны изменяется ширина запрещенной зоны, появляются области пониженной и повышенной плотности зарядов, действующие на электроны проводимости.

В пьзополупроводниках А^IIB^VI (CdS, CdSe, ZnS, ZnO), A^IIIB^V (InSb, GaAs) и других проявляется пьезоэлектрическое взаимодействие – деформация этих кристаллов сопровождается появлением электрического поля и наоборот.

От механизма АЭВ зависит величина электронного поглощения ультразвуковой волны. Она максимальна в пьзоэлектриках. В металлах и обычных полупроводниках электронное поглощение становится заметным только при низких (гелиевых) температурах.

Передача импульса ультразвуковой волны электронам проводимости приводит к появлению акустоэлектрического тока. Если к кристаллу приложено еще и внешнее постоянное электрическое поле Е, создающее дрейф электронов в направлении ультразвуковой волны, то АЭВ существенно зависит от скоростей дрейфа v_др и распространения звука с_з. При v_др < с_з ультразвуковая волна поглощается электронным газом, при v_др>с_з электроны отдают свою кинетическую энергию ультразвуковой волне, происходит ее усиление (увеличение амплитуды). Это усиление представляет практический интерес для поверхностных акустических волн.

АЭВ приводит к ряду нелинейных акустических эффектов, особенно заметных в пьезоэлектриках, используемых в акустоэлектронике, в элементах памяти.

Большинство акустооптических устройств работает на использовании явления дифракции света на ультразвуковых волнах.

Упругие деформации в звуковой волне приводят к периодическому изменению показателя преломления n среды. В результате, в среде возникает структура, аналогичная дифракционной решетке, период которой равен длине волны звука λ_з. Если в такой среде распространяется луч света, то в среде возникают дифракционные пучки света. Их характеристики – направление в пространстве, поляризация, интенсивность – зависят от параметров звукового поля (γ, I) и от угла θ, под которым светом падает на звуковой пучок.

Частота дифрагированного света отличается от частоты падающего света на величину частоты звука. На выходе из акустического пучка световая волна оказывается модулированной по фазе и отклоненной по направлению.

Взаимодействие звуковых волн в твердых телах и жидкостях с оптическим излучением эффективно используется в электронике, лазерной технике, оптике с целью управления амплитудой, поляризацией, спектральным составом и направлением распространения оптического луча.

С помощью дифракции света на ультразвуковых волнах определяются характеристики звуковых полей, поглощения и скорости звука, модули упругости упругооптических и магнитооптических материалов, создаются устройства для приема сигналов в ультразвуковых линиях задержки.

На взаимодействии распространяющихся в кристалле ультразвуковых и гиперзвуковых волн частотой от 10 мГц до 1,5 ГГц между собой и с электронами, а также на использовании поверхностных акустических волн основано применение акустоэлектронных устройств для преобразования и обработки электрических радиосигналов.