9.Свойства материалов: акустические свойства. Пьезоэффект.

К акустическим свойствам относятся свой­ства, связанные с генерацией, обнаружени­ем и различными видами взаимодействия со средой упругих колебаний (волн) от самых низких (практически от долей Гц) до предель­но высоких (10¹¹—10¹³ Гц) частот.

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

Изучение акустических свойств и явле­ний, связанных с упругими колебаниями, на­чавшись примерно в VI в. до н. э. как учение о звуке (упругих волнах, воспринимаемых человеческим ухом), развивалось позднее как раздел механики в теории упругости.

По мере совершенствования техники, расширения диапазона получаемых и исполь­зуемых длин волн и интенсивности упругих колебаний возникали и приобретали значение все новые задачи: изучение скорости распро­странения звука в разных средах, механиз­мов и закономерностей преобразования зву­ковых сигналов в электромагнитные, исполь­зование звука в целях локации и зондирова­ния и др. Появление волн большой интенсив­ности (взрывные волны и т. п.) инициировало развитие нелинейной акустики, учитыва­ющей изменение проводящей среды при аку­стическом воздействии. В этих условиях ди­фракция волн и рассеяние звука становятся зависимыми не только от частоты и скоростизвуковой волны, как в линейной акустике,

но и от амплитуды волн (аналогично нели­нейной оптике): искажается синусоидальная форма волны, возникают давление звукового излучения, явление кавитации.

Особым случаем акустических волн, на­шедшим важное применение в электронике, являются поверхностные акустические вол­ны (ПАВ). Это волны, распространяющиеся 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 происходят в плоскости, пер­пендикулярной к границе; 2) с горизонталь­ной поляризацией, когда эти колебания па­раллельны границе и перпендикулярны к на­правлению распространения волны.

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

Колебания большой частоты получают с помощью различных электроакустических преобразователей, из которых особо важное значение имеют генераторы ультразвуковых волн: пластинки и стержни из пьезокерами-ческих и магнитострикционных материалов.

Многие типы электроакустических преоб­разователей могут быть использованы и как излучатели, и как приемники акустических волн.

Во второй половине XX в. важное значение приобрело изучение взаимодействия ультра-и гиперзвуковых волн с электронами проводи­мости в металлах и полупроводниках, с элект­ромагнитными (оптическими) волнами. Возник­ли акустоэлектроника и акустооптика.

Распространение акустических волн ха­рактеризуется скоростью звука с, которая очень мала по сравнению со скоростью опти­ческих излучений (света). Она зависит от аг­регатного состояния и природы материала: с в газах меньше, чем в жидкостях, а в жидко­стях, как правило, меньше, чем в твердых телах.

Передача энергии приводит к дополни­тельному электронному поглощению звука и разогреву электронного газа, а передача им­пульса hco/c (где со — частота звука) — к воз­никновению тока или ЭДС в металле или в полупроводнике {акустоэлектрический эф­фект) в направлении распространения звука (эффект увлечения). Кроме изменения элек­тропроводности, АЭВ изменяет теплоемкость и теплопроводность. Передача импульса УЗ-волны электронам проводимости приводит к появлению так на­зываемого акустоэлектрического тока.