声表面波空心叉指换能器

本文提出一种新的声表面波叉指换器结构——空心叉指换能器。对空心叉指换能器和普通叉指换能器(例如,双叉指换能器和单叉指换器)的性能进行了比较。给出了设计空心叉指换能器的数据。分析和实验结果证明,这种换能器与普通叉指换能器相比,其优点是:在相同的制造工艺和满足规定的指间反射的情况下,容易实现高的成品率和较高的工作频率。     

一种新型的集成声学频谱分析器

本文介绍作者设计和证实的一种新现象——当叉指换能器阵列的各阵元横向位置和它们的同步频率分别按线性调频规律排列和设计时,其激励的声表面波的主声束,不仅能自动聚焦,而且其聚焦场的轴随频率而平移扫描。即当频率改变时,聚焦声束相应地改变其位置而不变其方向。基于上述现象,作者提出一种新形式的集成声学射频频谱分析器(IASA)结构。由于该结构可实现聚焦轴随待处理信号的频率作平移扫描,故可以避开基片各向异性所带来的困难,可保证器件的测频精度和频率分辨率。因此,可以说,平移现象的发现和这种结构的采用,使IASA在走向实用化的道路上迈过了关键的一步。     

Implementation of GHz SAW filters using quasi-harmonic interdigital transducers

本文利用准谐频设计方法,在常规光刻工艺水平上,成功地实现了GHz级声表面波(SAW)器件。准谐频叉指换能器(QHIDT)的优点为其指条宽与指间隙可以比一般的单指换能器宽,克服了单指换能器内指间的多次反射,并且又较好地解决了普通谐频叉指换能器基频抑制不好的缺点。本文给出了制作在ST石英基片上,工作频率1128MHz的声表面波滤波器的实验结果。     

GaN的声表面波特性研究

采用金属有机物化学气相外延方法在(0001)面蓝宝石上生长了高质量、高阻的未掺杂(0001)面GaN薄膜。为精确测量GaN薄膜材料的声表面波特性，在GaN薄膜表面上沉积了金属叉指换能器，叉指换能器采用等叉指结构，叉指的数目为40对，叉指间距为15μm。采用脉冲法测量了声表面波在自由表面和金属表面上的速度，并通过计算得到了机电耦合系数(κ^2)。所测量的声表面波速度（ν)为5667m／s，机电耦合系数(κ^2)为1．9％。     

压电晶体-液体-固体声波导中叉指换能器对导波的激发研究

本文对压电晶体－液体－各向同性固体结构的声波导中叉指换能器所激发的导波进行了理论研究和数值分析,给出了导波的相速度、叉指换能器激发导波的机电耦合系数与液体层归一化厚度、晶体取向之间的关系曲线,同时,还探讨了声波导中的位移场和电势场分布。     

声表面波在Bragg声栅上衍射的偏转声束的发散角

本文从声表面波在声栅上的Bragg衍射的偏转角公式和偏转效率公式出发,分析了偏转声束的发散角δθ_1与声栅有关参数的关系。文中定义了声栅Bragg衍射的“Bragg角谱宽度”δθ_B,讨论了该量在判定偏转声束发散角δθ_1时的意义。结果表明:若入射声束的发散角δθ_(inc)的值大于声栅“Bragg角谱宽度”δθ_B,则偏转声束的发散角δθ_1等于δθ_B;反之若δθ_(inc)小于δθ_B,则δθ_4=δθ_(inc)。 实验上,应用观察和测量声-光衍射图案中的各束声对应的衍射光点的宽度的方法,对四种不同结构的样品——其中两种相应于δθ_(inc)(?)δθ_B,另两种相应于δθ_(inc)(?)δθ_B的情形——测量了δθ_(inc)和δθ_4。结果表明,上述理论分析结果与测量结果是一致的。     

基于有限元的空耦超声相控阵Lamb波激发与检测

基于非接触式空气耦合超声换能器的无损检测技术在常规板材、纤维复合材料、层状结构材料、粘接界面等的检测中有了长足的发展。但是因为空气耦合超声本身的限制,对于如何提高空气声换能器的发射效率和接收灵敏度、提高检测中接收的信噪比成为这一领域的重要课题。因此有必要结合最新的信号处理技术探索新的无损检测形式。本文通过提出了基于电容式的空气声换能器阵列的构建和制作方法,应用有限元数值方法对一维线阵的空气声换能器阵列的动态偏转特性进行了模拟,并使用构建流固耦合模型对二维的空气声场及板材中的位移场进行计算。通过一维空气耦合相控阵的声束动态偏转激励了各向同性板中的Lamb波A₀ 和S₀模式,并进行了分析,验证了此模型可以进一步用于基于空气耦合相控阵激励的Lamb波的无损检测中。     

基于超声相控阵的环焊缝缺陷检测方法研究

针对传统超声探头焦距固定,检测位置的改变就要更换相应焦距的探头而影响检测效率的问题,提出一种基于超声相控阵换能器的环焊缝缺陷检测方法。而超声相控阵具有电子偏转和电子聚焦特性,能在不移动的情况下发射偏转聚焦超声束,有效地解决了上述问题。首先基于超声相控线阵换能器的声场特点,采用数值分析方法,研究了影响声束偏转聚焦性能的几个主要参数。然后给出了与超声相控阵换能器相连接的多通道数据采集系统结构。介绍了单通道声信号的硬件结构及相应的信号处理方法,实现了对换能器中单个阵元的精确延时的控制。实验结果表明,优化设计的超声相控线阵换能器具有较高的检测精度和检测效率。     

非近轴近似多高斯声束模型的相控阵换能器声场计算

针对近轴近似的多高斯声束模犁无法准确计算离轴区域声场的问题,我们提出了一个矩形源的非近轴近似多高斯声束模型,用于计算偏转聚焦时线性相控阵换能器辐射的声场.利用该方法计算了由矩形阵元组成的相控线阵的辐射声场,并与瑞利积分、近轴近似方法及夫琅和费近似方法进行了分析和对比,计算结果表明该方法克服了常规近轴近似条件的限制,可以准确、快速地计算较大偏转范围内的换能器辐射声场,在计算相控阵换能器偏转聚焦声场中具有独特的优势.     

利用准谐频叉指换能器实现GHz高频SAW滤波器

本文利用准谐频设计方法,在常规光刻工艺水平上,成功地实现了ＧＨＺ级声表面波（ＳＡＷ）器件,准谐频叉指换能器（ＱＨＩＤＴ）的优点为：其指条宽与指间隙可以比一般的单指换能器宽,克服了单指换能器内指间的多次反射,并且又较好地解决了普通谐频叉指换能器基频抑制不好的缺点,本文给出了制作在ＳＴ石英基片上,工作频率１１２８ＭＨＺ的声表面波滤波器的实验结果。     

LB膜在SAW ILRAC及RAC相位修正中的应用

声表面波反射栅脉冲压缩器件(RAC)及直列式反射栅脉冲压缩器件(ILRAC),在脉冲压缩雷达及其他一些系统中用作匹配滤波,是一种重要的模拟信号处理器件。声表面波在器件基片上的各处速度的轻微差别将会影响器件的性能。器件中的金属膜结构(叉指换能器;金属栅条,点阵等)会改变表面波速度,因而镀膜,光刻等工艺的误差将对器件的参数产生影响,最终表现为对于到达输出换能器的声表面波的相位导致误差,降低脉冲压缩输出的主副瓣比。     

基于换能器阵的三维多粒子悬浮及操控装置

针对目前三维声操作技术悬浮粒子数量少、悬浮空间局限的问题,本文提出了一种由三对相对换能器阵列组成的声悬浮装置的设计方案,通过改变换能器阵列的相位差,成功实现了粒子的三维操纵.该装置可用于测量声速,相对误差一般在2%~5%左右,对测量环境要求比较严格.     

圆柱类构件超声相控阵聚焦模型

在利用平面相控阵超声换能器对圆柱类构件检测时,受曲界面结构引起的入射波和回波时延的影响,扫描声束的波阵面产生弯曲,在利用传统迭代遍历算法计算延迟时间时效率低,无法发挥相控阵换能器检测优势。针对上述问题,建立了一种基于圆柱类构件特征和耦合介质特性的超声相控阵扫描成像的聚焦模型。该模型基于换能器、耦合介质、圆柱类构件材料特性和几何关系以及声线模型和折射定律,建立了耦合介质及被检构件的声速、曲面曲率半径、阵列与曲面间的距离等关联的延迟时间聚焦控制模型。利用该模型计算出的延时时间,对各阵元发射时间进行控制,从而实现扫描声束的聚焦。该文以液体和有机玻璃制介质楔块为例,对圆柱钢曲面的相控阵声束聚焦进行了仿真实验,结果表明该文方法计算效率显著提升,同时声束可以在预设位置实现聚焦,验证了该模型在计算效率上的优势与有效性。     

叉指换能器激发表面声波的生长特性

本文利用暗场法和光探针技术对叉指换能器,特别是线性调频叉指换能器,激发表面声波的生长特性进行了观察和测量。并且利用有关的理论进行了计算。实验和理论结果一致表明在共振激发指对的中心位置,声强极小;离开中心位置,声强迅速增长。对于周期性叉指换能器,向两侧增长是对称的;而对于线性调频叉指换能器,向两侧增长是不对称的,向高频端的增长比向低频端的更强,因而形成线性调频叉指换能器向两端辐射的不对称性。但是在实验结果与理论结果的比较中,也出现一些问题,我们对此进行了初步的讨论。     

声光布喇格衍射偏转器的设计和制作

本文从集成光学频谱分析仪的需要出发,根据声光作用的基本原理和结论,设计了中心频率为214MC,3db带宽为50MC的布喇格衍射偏转器,重点讨论了叉指换能器的各项参数选择。并且运用了传统集成电路的制作工艺做出了声光布喇格衍射偏转器,测试了系统的频率响应特性曲线以及功率——衍射效率曲线,得到了满足设计要求的结果。     

基于绝缘体上硅的一种改进的Mach-Zehnder声光调制器

传统的基于绝缘体上硅的Mach-Zehnder(MZ)声光调制器中,叉指换能器位于两臂的同一侧.为实现高的调制效率,声表面波的波峰和波谷分别调制MZ干涉仪的两臂,这要求控制MZ干涉仪两臂之间的距离为奇数倍声波半波长.但实际上由于传播过程中衬底材料的变化,声波波长会变大,这会导致两臂的间距难以准确设置.另一方面,声波在传播过程中经过MZ干涉仪的一臂后会发生衰减,降低了对另一臂的调制效果,影响了整体的调制效率.本文针对这些问题给出了一种解决方案,把叉指换能器放在MZ波导两臂之间,确保MZ干涉仪两臂到叉指电极中心距离相等.采用有限元法,首先对新提出的结构进行分析,然后通过声光互作用原理得到了材料的折射率变化;进而研究了波导类型、波导宽度、氧化锌厚度及叉指对数等因素对声光调制效率的影响,并对声光调制器的结构参数进行了优化以提高其性能.基于COMSOL Multiphysics的仿真结果表明,当条波导宽度为6μm,氧化锌只覆盖有叉指电极的部分且厚度为2.2μm,控制叉指电极数目为50对时,波导有效折射率变化在驱动电压为1 V时可以达到4.08×10~(-4),比传统结构提高了12%.     

多层介质中超声相控阵声场仿真*

由于良好的声束偏转与聚焦特性,超声相控阵已经广泛应用于多层固体介质的缺陷检测。当超声束经过多层介质时,由于反射、透射以及模式转换的存在,多种声束存在于这种结构中,使得声场分析变得复杂。为了提高多层介质检测的准确性,有必要对超声声场的分布规律进行深入地了解。该文结合高斯声束等效点源模型以及射线追踪法,给出了相控阵声源在多层固体介质中激发声场的仿真方法,并且模拟计算了一维线型相控阵在楔块-铝-黄铜-钢四层固体介质中的辐射声场。通过对不同延时法则的计算,实现了声波在这种复杂介质中的偏转与聚焦,进而研究了不同焦点处聚焦声场的分布。结果表明:相控阵方法能使聚焦点处的声场幅值增大,能量集中,提高了检测分辨率;不同聚焦点处声场聚焦效果不同,实际检测时应根据检测区域结构及位置特点,合理放置相控阵换能器。与瑞利积分法的比较表明,该文的仿真方法适用于多层介质相控阵声场的计算。     

声表面波器件变频快速模拟方法*

声表面波器件的级联有限元模拟方法是从整体结构中分离出若干独立的基本单元,通过基本单元边界矩阵的级联实现有限长器件结构的模拟。在实际设计中,通过优化叉指换能器的指条周期,激发出不同波长的声表面波,调整声表面波器件的谐振频率,这导致级联有限元模拟方法存在频繁的单元建模与数据传输过程。为提高模拟效率,该文提出了一种波长(频率)变化时的级联有限元快速模拟方法。首先分析了不同波长对应单元系统矩阵间的关系,引入参考波长及波长变化因子,建立单元系统矩阵与波长之间的简易函数关系。接着利用参考波长的有限元模型快速计算出不同波长对应的单元系统矩阵,避免了多次单元建模与大量数据传输过程。最后利用边界矩阵的级联计算器件的频域响应,证明了该方法的有效性。     

平面超薄准直器件的参数依赖性

本文设计了一具有高效强指向性的平面超薄人工结构,当平面声波垂直入射到该结构时,若中心狭缝处产生的F-P(Fabry-Perot)共振和两侧类亥姆霍兹凹槽的共振频率耦合时,会产生一具有高度指向性的准直声束。通过对结构两侧的凹槽阵列的作用、凹槽周期D和凹槽数量r的探讨,发现凹槽阵列可将散射声波转换成声表面波,大大提高了透射效率,同时结构的共振频率、声透射率和准直效果和D、r的变化关系不大,说明对该结构准直效应产生影响的是F-P共振频率和类亥姆霍兹共振器共振频率,与布拉格散射无关。这一发现有助于在降低结构尺寸的同时仍保持结构的有效性,为后续指向性器件的应用提供了理论依据。     

在YZ—LiNbO_3金属化表面上弧形叉指换能器激励的声表面波聚焦

一、引 言 近年来,声表面波卷积器因其高速信号处理能力而引人注意。其中利用材料非线性效应作成的弹性卷积器,因其结构简单、造价低廉而尤其受人重视。然而,由于弹性非线性系数比较小,因而通常要用大孔径叉指换能器来激励宽的声束,而后设法压缩束宽,使得互作用区内有高的声强。从弹性卷积器的要求来看,考虑压缩效果的指标主要是:在尽量小的距离内达