Вторичные акустические эффекты

ЛЕКЦИЯ 13

Вторичные акустические эффекты. Сделаем небольшое отступление с целью увязать проблему вторичных эффектов с современными тенденциями развития техники ПАВ. Заметим, что функциональные возможности АРК практически определились к началу 70-х годов. К этому же времени обозначились и границы их возможных применений. Однако разработчики РЭА уже не ограничивались демонстрацией работоспособности устройств, а предъявляли весьма строгие требования к параметрам изделий. Путь к достижению потенциальных параметров лежал через выявление, тщательное исследование и устранение влияния вторичных акустических эффектов. Именно в этом направлении трудятся сегодня большинство исследователей и разработчиков АРК.

Выделим два направления возможного исключения или ослабления влияния вторичных эффектов. Первое – сугубо расчетное, подразумевает учет и компенсацию их влияния в процессе проектирования АРК. Второе – конструктивное направление, предполагающее поиск технических решений, принципиально ослабляющих или исключающих влияние вторичных эффектов.

Основные вторичные эффекты, ограничивающие достижимые параметры АРК – дифракция и отражение ПАВ в процессе их возбуждения и распространения.

Дифракционное рассеяние акустического потока обратно пропорционально апертуре перекрытия электродов входного преобразователя 1 (рис. 6.6). В результате дифракции волны выходной преобразователь 2 взаимодействует лишь с частью акустического потока 3, что приводит к энергетическим потерям и искажениям формы импульсного отклика. Особенно существенны эти искажения для преобразователей, аподизованных изменением перекрытия электродов 4. Сигнал, излучаемый наиболее удаленными (по отношению к выходному) участками входного преобразователя 4, искажается из-за неполного взаимодействия соответствующих акустических потоков (6, 7) с выходным преобразователем 5. Это обусловливает «перекос» 9 импульсного отклика 8 фильтра (наиболее значительный для узкополосных фильтров с полосозадающими преобразователями  большой протяженности) и соответствующее ухудшение его селективности. В результате экспериментальное значение полосы пропускания  значительно превышает расчетное .

Очевидно, что одним из конструктивных способов уменьшения дифракционных искажений является увеличение апертуры и сближение преобразователей. Первое не всегда возможно, так как ведет к увеличению габаритных размеров фильтра. Минимальное расстояние между преобразователями обусловлено необходимостью их взаимного экранирования. Применительно к линиям задержки расстояние между преобразователями определяется требуемой задержкой и не может быть изменено. В фильтрах значительно снизить дифракционные эффекты удается при использовании преобразователей с внешним взвешиванием.

Рис. 6.6. Дифракционные эффекты в фильтрах на ПАВ

Но, как уже отмечалось, использование преобразователей с внешним взвешиванием ведет к значительному усложнению конструкции и технологии изготовления фильтра. В последнее время появилось несколько весьма удачных технических решений, позволивших конструктивно совместить внешний делитель непосредственно с электродной структурой преобразователя. Проиллюстрируем некоторые из них.

Рассмотрим в качестве примера преобразователь, реализующий импульсный отклик вида . Если используется классический вариант аподизации с изменением перекрытия электродов, максимальное перекрытие  на участке преобразователя, соответствующем первому боковому лепестку импульсного отклика, составит 21,2 % от максимального перекрытия  в зоне центрального лепестка. В дальнейшем будем условно называть максимальное перекрытие электродов  в зоне какого-либо лепестка его апертурой, то есть  – апертура центрального,  – первого бокового лепестка, и т.д. В рассматриваемой классической структуре преобразователя все электроды параллельно подключены к общим шинам преобразователя и подводимые к ним напряжения одинаковы. Поэтому соотношения апертур лепестков преобразователя повторяют соотношения амплитуд соответствующих лепестков заданного импульсного отклика. Таким образом, периферийным участкам (лепестками) импульсного отклика, имеющим весьма незначительный амплитудный вес, соответствуют электроды с малым перекрытием. В результате именно эти участки импульсного отклика наиболее подвержены влиянию дифракционных искажений, что обусловливает, в конечном счете, уменьшение точности воспроизведения АЧХ.

Теперь обратимся к конструкции преобразователя, изображенной на рис. 6.7, а. Он разделен на три секции 1 – 3, соответствующих центральному (1) и боковых (2-3) лепесткам импульсного отклика. Причем апертуры боковых лепестков преобразователя, как видно из рисунка, явно увеличены. Но также поступают и в преобразователях с внешним взвешиванием: вклад боковых лепестков трансформируется к исходной величине соответствующим уменьшением подаваемого на них сигнала. Эту роль выполняет внешний делитель, что и дает название методу – метод внешнего взвешивания.

Однако в нашем случае внешний делитель на первый взгляд отсутствует. Может показаться, что в отсутствие внешнего делителя импульсный отклик преобразователя будет иметь первые боковые лепестки 4 на уровне центрального (рис. 6.7, б). Но это было бы только при параллельной запитке электродов, используемой в классической конструкции, рассмотренной ранее. Секции преобразователя, изображенного на рис. 6.7, а, подключены к источнику (нагрузке) иным образом. Электрически параллельно соединенные боковые секции 2 и 3 подключены последовательно центральной секции 1. При этом сигнал, подводимый к преобразователю, перераспределяется между его секциями в соответствии с соотношением емкостей образованного ими же делителя (рис. 6.7, в): , где  – емкостное сопротивление центральной секции и  – емкостное сопротивление боковых секций;  – емкость центральной секции, ,  – емкость одной боковой секции,  – дополнительная емкость, подключенная параллельно к боковым секциям.

Заметим, что более строгий расчет делителя требует учета сопротивления излучения и других параметров преобразователя в соответствии с описанной эквивалентной схемой встречно-штыревого преобразователя ПАВ. Однако емкостный делитель достаточно наглядно иллюстрирует принцип данного метода аподизации.

Рис. 6.7. Преобразователь, реализующий метод масштабирования

Ясно, что, уменьшив с помощью емкостного делителя относительный вклад боковых секций в формирование импульсного отклика, можно соответственно увеличить перекрытие их электродов. При этом сохранятся требуемые соотношения амплитуд основного  и боковых  лепестков импульсного отклика, однако значительно уменьшатся дифракционные искажения.

Возьмем наиболее желательный случай: увеличим апертуру боковых секций  до значения . При этом для приведения относительной величины боковых лепестков 4 к исходной 5 («масштабирования») с помощью делителя (рис. 6.7, в) следует обеспечить следующее соотношение сигнала на центральной  и боковых  секциях: .

Суммарная емкость боковых секций зависит от числа боковых лепестков импульсного отклика (на рис. 6.7, а изображено по два боковых лепестка). Для получения требуемого соотношения плеч делителя при произвольном числе боковых лепестков необходимо подключение дополнительной емкости , что не связано обычно с каким-либо усложнением конструкции. Дополнительная емкость определяется из соотношения: .

Необходимо отметить, что боковые секции преобразователя объединяют сразу все боковые лепестки импульсного отклика. Соотношение апертур самих этих лепестков повторяет соотношение амплитуд соответствующих лепестков импульсного отклика. Масштабирование апертуры боковой секции естественно приводит к увеличению перекрытия всех ее электродов, однако при большом числе лепестков реализуемого импульсного отклика дифракционные искажения его периферийных участков весьма значительны. Возможно и дальнейшее дробление преобразователя на секции с последующим их масштабированием, однако конструкция при этом определенно усложняется.

В рассмотренной конструкции в значительной степени совмещаются преимущества преобразователя с внешним и простота конструкции преобразователя с непосредственным взвешиванием. Безусловно, что по мере увеличения числа лепестков импульсного отклика дифракционные искажения, соответствующие периферийным участкам преобразователя, возрастают. Однако для трех – пяти лепестков настоящий метод обеспечивает относительную точность воспроизведения импульсного отклика и АЧХ в пределах единиц процентов. С точки зрения существующей классификации методов аподизации указанный метод является комбинацией двух известных методов: непосредственного и внешнего взвешивания; в ряде источников он приведен под названием метод масштабирования.