<< Научные направления

Теория акустических волн в твердых телах (поиск и исследование новых типов волн, явлений и аналитических подходов)

В.Г.Можаев

Реальные твердые тела обладают разнообразными физическими свойствами, и это делает современную акустику твердого тела обширной и увлекательной областью для физических исследований. Результаты научных исследований акустических свойств твердых тел находят широкие практические применения в акустоэлектронике и акустооптике, в ультразвуковой дефектоскопии, сейсмологии и в других областях, что предопределяет актуальность развития данного научного направления. В частности, только устройств на поверхностных акустических волнах ежегодно в мире выпускается около 10 миллиардов, и теперь без этих устройств не обходится практически ни один мобильный телефон, телевизор и радиоприемник.

К фундаментальным вопросам акустики твердого тела относится изучение типов акустических волн в твердых телах с различными свойствами и различной геометрией. Несмотря на давнюю историю изучения этого вопроса, он по-прежнему актуален и в силу многообразия свойств твердых тел до конца не исследован. Удивительно, но факт, что даже такой фундаментальный тип акустических волн в твердых телах как клиновые волны был предсказан и экспериментально обнаружен лишь сравнительно недавно - в 1972 г., т.е. в то время, когда люди уже побывали в космосе, были изобретены и созданы транзисторы, интегральные схемы, компьютеры, лазеры и многие другие наукоемкие и высокотехнологические изделия и приборы.

Поиск и исследование новых типов акустических волн в твердых телах продолжается и поныне и является одной из трех основных составляющих исследований, проводимых по описываемой тематике на кафедре акустики в лаборатории поверхностных акустических волн. Второй составляющей является поиск и изучение новых акустических явлений. Третья составляющая - поиск и разработка новых аналитических подходов для решения задач акустики твердого тела. К достигнутым здесь результатам относится предсказание около 10 новых типов пространственно локализованных акустических волн, исследование около 10 новых акустических явлений и разработка около 10 новых аналитических подходов для решения задач акустики твердого тела. Кратко эти результаты перечислены ниже.

В настоящее время совместно с аспирантами и студентами проводятся исследования по трем темам:

• "Поверхностные и граничные эффекты при распространении акустических волн в песчаных грунтах" (со студенткой 6-го курса А.М. Миграновой),
• "Нерадиальные потоки энергии и лучи в задачах акустики твердого тела с элементами сферической или цилиндрической симметрии" (с аспирантом 2-года обучения А.В. Козловым),
• "Взаимодействие капель и малых объектов с поверхностными акустическими волнами в твердых телах" (с аспиранткой 3-года обучения А.В. Зыряновой).

Аспиранты Анна Зырянова и Антон Козлов продолжают свои прежние исследования, начатые ими на кафедре акустики в студенческие годы.

В 2005 г. дипломная работа А.В. Зыряновой была удостоена премии 2-й степени в конкурсе студенческих работ имени Р.В. Хохлова физического факультета МГУ, а в 2006 г. А.В. Зырянова была награждена стипендиальным грантом Американского акустического общества за исследования по теме ее совместной работы с В.Г. Можаевым и Б.А. Коршаком.

Для новых студентов в лаборатории всегда имеется возможность выбора новых тем исследования (см., в частности, 45 тем курсовых работ для второкурсников, углубленное изучение которых могло бы стать предметом курсовых на старших курсах).

Основные результаты исследований.

А. Предсказание и исследование свойств новых типов акустических волн

А1. Поверхностные акустические волны (ПАВ) из-за упругой нелинейности твердых тел.

А2. Сагиттальные волны на доменной стенке в сегнетоэлектриках.

А3. Граничные волны утечки с профилем поля невытекающих волн.

А4. Акустические моды границ двойников кварца.

А5. Волны утечки на границе вращения кристаллов.

А6. Волны утечки в кубических кристаллах (110)-среза с параметром анизотропии А > 1.

А7. Ветви волн утечки, связанные с акустическими осями кристаллов.

А8. Дозвуковые волны утечки в кристаллах.

А9. Дозвуковые вытекающие волны Рэлея на границе твердого тела с жидкостью.

А10. Линзовые акустические моды в периодических слоях кристаллов с отрицательной рефракцией.

B. Изучение новых акустических явлений

B1. Свертка на наклонно падающих объемных акустических волнах (ОАВ) в слоистой структуре пьзоэлектрик-полупроводник.

B2. Нелинейное возбуждение с помощью встречно-штыревых. преобразователей объемных волн, распространяющихся по нормали к поверхности в пьезополупроводниках.

B3. Поверхностное электрическое возбуждение пьезоэлектрически неактивных объемных акустических волн в пьезокристаллах.

B4. Углы типа брюстеровских при отражении изгибных волн от ступенчатого изменения толщины в тонких пластинах.

B5. Отрицательное значение эффективного коэффициента электромеханической связи для ПАВ и ОАВ в сильных пьезоэлектриках.

B6. Обширные секторы несуществования нормальных (т.е. невытекающих) ПАВ в сверхсильном пьезоэлектрике - кристалле ниобата калия.

B7. Обширные полосы частот (толщин) существования обратных мод Лэмба высших порядков в сильно анизотропных пластинах.

В8. Нерадиальные потоки энергии от точечного силового источника в однородном изотропном твердом теле.

В9. V(z)-осцилляции при положительной дефокусировке в акустической микроскопии кристаллических пластин с отрицательной рефракцией.

B10. Импульсно-колебательный механизм волнового транспорта малых объектов.

C. Разработка новых математических подходов

C1. Метод прямого интегрирования уравнений движения для поверхностных и объемных акустических волн в кристаллах.

C2. Обобщение метода теории возмущений, основанного на энергетических соотношениях, для расчета влияния малых возмущений произвольной природы и его применения в ряде конкретных задач (возбуждение 2-й гармоники ПАВ в слоистой структуре пьезоэлектрик-полупроводник, распространения ПАВ по искривленным поверхностям, распространения ПАВ в пьезоэлектриках, распространения ПАВ в пьезополупроводниках, отражение ПАВ от закругления и ступеньки поверхности, распространение клиновых волн в тупоугольном клине, распространение ОАВ в периодической доменной структуре, отражение ОАВ от доменной стенки).

C3. Приближение заданного поля для анализа электрических полей, возникающих при отражении объемных волн.

С4. Модель, объясняющая многочисленные осцилляции коэффициентов отражения и прохождения волн Рэлея в остром клине.

C5. Лучевая модель клиновых волн.

C6. Скалярная модель клиновых волн.

C7. Лучевые методы исследования взаимосвязи коэффициентов отражения и прохождения на топографических поверхностях.

C8. Метод расчета упругих модулей по скоростям ПАВ на базисной плоскости кубических кристаллов.

С9. Метод расчета динамических упругих модулей поликристаллов.

C10. Условия вырождения симметричных матриц и акустические оси в кристаллах.