Пять профессий ультразвука

Акустоэлектроника относится к новым, совсем молодым направлениям радиоэлектроники. И в том, что она успешно развивается во многом заслуга научных сотрудников Института радиотехники и электроники АН СССР. Им принадлежит пальма первенства в раскрытии многих акустоэлектрическнх эффектов и явлений, в разработке теорий, принципов построения радиоэлектронных устройств, работающих на ультразвуковых волнах.

Научным руководителем работ по акустоэлектроннке б ИРЭ является доктор физико-математических наук, профессор Ю. В. Гуляев, который многое сделал для развития этого нового направления. Он предсказал и теоретически обосновал новые кинетические явления в проводящих средах — дифференциальные акустоэлектронные эффекты, которые зарегистрированы как научное открытие, предсказал существование нового вида поверхностных звуковых волн, которые ныне называются волнами Гуляева-Блюстейна.

Цикл исследований в области акустоэлектроники, проведенный совместно с работниками других институтов учеными лаборатории, руководимой Ю. Гуляевым, представлен в этом году на соискание Государственной премии.

Вот что рассказал нам Ю. В. Гуляев.

Акустоэлектроника изучает процессы и явления, связанные с возбуждением, распространением в твердый телах и приемом ультразвуковых волн очень высокой частоты — свыше десятка мегагерц. Все освоенные участки акустического диапазона, используемые в различных областях техники, лежат на частотной шкале значительно ниже. 8 металлургии, обработке материалов, звуколокации применяется ультразвук с частотами от нескольких десятков кГц до нескольких МГц.

Что же дает освоение более высоких ультразвуковых частот? Во-первых, ученые получили эффективное средство для изучения свойств твердых тел. Во-вторых, открытые в последнее время акустоэлектронные эффекты и явления позволяют создавать совершенно новые типы твердотельных приборов. Условно все эти явления можно разделить на пять классов, что и определяет специфику использующих их приборов. К первому классу явлений относится преобразование электрической энергии в звуковую и обратно, что присуще всем акустоэлектронным приборам. Устройства, осуществляющие такое преобразование, могут быть сконструированы с любой наперед заданной частотной характеристикой. На этом свойстве построен ряд миниатюрных высокочастотных фильтров, превосходящих по некоторым параметрам все существовавшие до сих пор.

Особенности распространения, поглощения и усиления ультразвука в твердых телах относятся к следующему классу акустоэлектронных явлений. В связи с тем, что скорость звука в 100 000 раз меньше скорости света, в устройствах, производящих двойное преобразование электрических сигналов в звуковые и обратно, происходит задержка сигнала на несколько микросекунд — на время распространения звука по кристаллу. Получаются весьма эффективные линии задержки. При специальной конструкции преобразователей они могут служить и как кодирующие и декодирующие устройства.

Если же в такой линии задержки сигнал будет еще и усиливаться, то получится усилитель ультразвука, по принципу действия аналогичный лампе бегущей волны, Устроен он в виде пластинки пьезоэлектрического кристалла, на которую нанесена пленка полупроводника. Входной радиосигнал, распространяясь в пьезоэлектрике, превращается в поверхностную звуковую волну, бегущую вдоль границы раздела двух материалов. В полупроводнике создается движение электронов в том же направлении со сверхзвуковой скоростью, в результате чего происходит усиление звуке в сотни миллионов раз на одном сантиметре длины кристалла.

К следующим, очень интересным явлениям относится возникновение в твердых телах под действием ультразвука постоянных электродвижущих сил, изменение температур этих тел, их магнитных свойств, Эти явления положены в основу детекторов ультразвука, новых типов твердотельных считывающих устройств, которые, в частности, могут использоваться в телевидении.

Как известно многие важнейшие свойства вещества: магнитные, оптические, электрические и т. д. обусловлены наличием в нем свободных электронов. Для правильного конструирования электронных приборов необходимо знать какие же электроны будут там работать. Ответ на этот вопрос можно получить с помощью ультразвука путем использования, так называемых, дифференциальных акустоэлектронных эффектов, также относящихся к этому классу явлений. Оказывается с помощью ультразвука можно сортировать свободные электроны в твердых телах по энергиям и детально изучать их свойства.

Не исключено, что дальнейшие исследования взаимодействия ультразвука с электронами позволит создавать установки для получения глубокого холода. Кроме того, использование этих эффектов открывает ультразвуку дорогу в медицину. Ультразвуковое просвечивание более контрасно выявляет ткани различной плотности, чем обследование рентгеновскими лучами. При этом применяется ультразвук минимально возможной интенсивности.

Четвертый класс включает в себя нелинейные акусто-электронные явления. На них основаны устройства для аналоговой обработки сигналов — кодирования, декодирования, получения корреляционных функций, для ограничения мощности, для параметрического и супергетеродинного усиления и так далее.

И, наконец, последний класс составляют акустооптические явления, связанные с взаимодействием света и звука в диэлектрических и проводящих кристаллах. Они позволяют создавать различного рода дефлекторы и модуляторы лазерного излучения, системы акустооптической обработки информации, запоминающие топографические устройства. Исследования дифракции света на звуке в проводящих кристаллах перспективны для развития в будущем инфракрасной акустооптики.

Все указанные явления в настоящее время достаточно хорошо известны, и одно из первых мест в их исследовании принадлежит Институту радиотехники и электроники АН СССР. Практическое же использование и создание всех перечисленных выше устройств пока только начинается. И здесь огромное поле деятельности для инженеров-специалистов в области электроники и радиотехники.