Особенности распространения SH-волн в двухслойной структуре из неоднородных пьезоэлектрического и диэлектрического слоев
Автор: Белянкова Т.И., Ворович Е.И., Калинчук В.В.
Статья в выпуске: 2, 2023 года.
Бесплатный доступ
Предложен подход к моделированию динамических процессов в полубесконечной составной пластине из неоднородных пьезоэлектрического и диэлектрического слоев. При моделировании неоднородности слоев использована двухкомпонентная модель с функционально градиентным изменением свойств, в которой физические параметры основного материала непрерывным образом меняются по толщине до параметров включения. Материал пьезоэлектрического слоя представляет собой сочетание пьезокерамик на основе PZT, обладающих значительным различием скоростных характеристик. Реализована возможность локализации неоднородности как у внешней поверхности пластины, так и в середине слоя или у границы раздела. Диэлектрический слой выполнен из SiO2, неоднородность диэлектрического слоя моделирует взаимопроникновение пьезоэлектрика и диэлектрика в узкой переходной области у границы раздела. В качестве параметров материала включения рассматривались упругие и диэлектрические модули пьезоэлектрического материала, расположенного у границы раздела. Внешние поверхности составной пластины свободны от механических напряжений и электрически закорочены. Рассмотрена задача о распространении поверхностных SH-волн в составной структуре из функционально градиентных пьезо- и диэлектрического слоев, инициированных действием бесконечно удаленного источника гармонических колебаний. Решение строится в пространстве образов Фурье, сведением к решению системы обыкновенных дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами, которое в свою очередь строится с использованием метода Рунге - Кутты - Мерсона. Приведено дисперсионное уравнение задачи, анализ которого позволил исследовать влияние характера, величины области перехода материалов и локализации неоднородности структуры на особенности поведения фазовых скоростей ПАВ для широкого диапазона частот. Полученные результаты приведены в безразмерных параметрах и могут представлять особый интерес при разработке, проектировании и оптимизации новых материалов для микро- и наноразмерных приборов и устройств на SH ПАВ с высокими эксплуатационными характеристиками.
Функционально градиентный пьезоэлектрический материал, функционально градиентный диэлектрический материал, пьезоэлектрический слой, диэлектрический слой, локализация неоднородности, область перехода материалов, включение, сдвиговые горизонтально-поляризованные волны, поверхностные акустические волны
Короткий адрес: https://sciup.org/146282670
IDR: 146282670 | DOI: 10.15593/perm.mech/2023.2.09
Список литературы Особенности распространения SH-волн в двухслойной структуре из неоднородных пьезоэлектрического и диэлектрического слоев
- Tiersten H.F. Linear piezoelectric plate vibrations. - New York: Plenum press, 1969. - 211 p.
- Mindiin R.D. An Introduction to the Mathematical Theory of Vibrations of Elastic Plates. - World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd, 1955. - 190 p.
- Achenbach, J.D. Wave Propagation in Elastic Solids. -North-Holland, Amsterdam, 1973. - 425 p.
- Matthews H. Surface Wave Filters. Design, Construction and use. - New York: John Wiley & Sons, 1977. - 521 p.
- Acoustic Surface Waves / E.A. Ash, G.W. Farnell, H.M. Gerard, A.A. Oliner, A.J. Slobodnik, H.I. Jr. Smith; A.A. Oliner (Eds). - Springer Verlag, Berlin, 1978. - 334 p.
- Гринченко В. Т., Мелешко В. В. Гармонические колебания и волны в упругих телах. - Киев: Наук. думка, 1981. - 283 с.
- Maugin G.A., Attou D. An asymptotic theory of thin piezoelectric plates // Q J Mech Appl Math. - 1990. - Vol. 43. -Р. 347-362. DOI: 10.1093/qjmam/43.3.347
- Бреховских Л.М. Годин О.А. Акустика слоистых сред. - М.: Наука, 1989. - 416 с.
- Wang J., Yang J. Higher-order theories of piezoelectric plates // Appl. Mech. Rev. - 2000. - Vol 53, no 4. - P. 87-99. DOI: 10.1115/1.3097341
- Elastic surface waves in crystals. Part 1: Review of the physics / N. Favretto-Cristini, D. Komatitsch, J.M. Carcione, F. Cavallini // Ultrasonics. - 2011. - Vol. 51, no. 6. - P. 653-660. DOI: 10.1016/j.ultras.2011.02.007
- Alshits V.I., Maugin G.A. Dynamics of multilayers: elastic waves in an anisotropic graded or stratified plate // Wave Motion. - 2005. - Vol. 41, no. 4. - P. 357-394. DOI: 10.1016/j.wavemoti.2004.09.002
- Shuvalov A.L., Poncelet O., Kiselev A.P. Shear horizontal waves in transversely inhomogeneous plates // Wave Motion. 2008. - Vol. 45, no. 5. - P. 605-615. DOI: 10.1016/j.wavemoti.2007.07.008
- Kuznetsov S.V. Dispersion of SH and Love Waves // International Journal of Physics. - 2014. - Vol. 2, no. 5. -P. 170-180. DOI: 10.12691/ijp-2-5-7
- Zagrouba M., Bouhdima M.S. Investigation of SH wave propagation in piezoelectric plates // Acta Mechanica. - 2021. -Vol. 232, no. 9. - P. 3363-3379. DOI: 10.1007/s00707-021-02990-x
- Liu G.R., Tani J. Surface Waves in Functionally Gradient Piezoelectric Plates. //Journal of Vibration and Acoustics. -1994. - Vol. 116, no. 4. - P. 440-448. DOI: 10.1115/1.2930447
- Cao X.S., Jin F., Wang Z.K. Theoretical Investigation on Horizontally Shear Waves in a Functionally Gradient Piezoelectric Material Plate // Advanced Materials Research. - 2008. - Vol. 3337. - P. 707-712. DOI: 10.4028/www.scientific.net/amr.33-37.707
- Nie G., An Z., Liu J. SH-guided waves in layered pie-zoelectric/piezomagnetic plates. // Progress in Natural Science. - 2009. - Vol. 19, no. 7. - P. 811-816. DOI: 10.1016/j.pnsc.2008.10.007
- Ezzin H., Amor M.B., Ghozlen M.H.B. Propagation behavior of SH waves in layered piezoelectric/piezomagnetic plates // Acta Mechanica. - 2016. - Vol. 228, no. 3. - P. 1071-1081. DOI: 10.1007/s00707-016-1744-9
- Wang Q. SH wave propagation in piezoelectric coupled plates // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. - 2002. - Vol. 49, no. 5. - P. 596-603. DOI: 10.1109/tuffc.2002.1002458
- Son M.S., Kang Y.J. Propagation behavior of SH waves in layered piezoelectric plates.// Journal of Mechanical Science and Technology. - 2011. - Vol. 25, no. 3. - P. 613-619. DOI: 10.1007/s12206-011-0114-8
- Belyankova T.I., Kalinchuk V.V. Shear horizontal waves in piezoelectric structures with a functionally graded coating // Mech. Adv. Mater. Struct. - 2021. - Vol. 28, no. 5. - P. 486-494. DOI: 10.1080/15376494.2019.1578006
- Peculiarities of surface acoustic waves, propagation in structures with functionally graded piezoelectric materials, coating from different ceramics on the basis of PZT / T.I. Belyankova, E.I. Vorovich, V.V. Kalinchuk, O.M. Tukodova // Journal of Advanced Dielectrics. - 2020. - Vol. 10, no. 1-2. - P. 2060017. DOI: 10.1142/S2010135X20600176
- Specific features of SH-waves propagation in structures with prestressed inhomogeneous coating made of piezoceramics based on LiNbO3 / T.I. Belyankova, E.I. Vorovich, V.V. Kalinchuk, O.M. Tukodova // Journal of Advanced Dielectrics. - 2021. - Vol. 11, no. 4-5. - P. 2160007. DOI: 10.1142/S2010135X21600079
- A method for the design of inhomogeneous materials and block structures / V.A. Babeshko, O.V. Evdokimova, O.M. Babeshko, I.V. Ryadchikov // Doklady Physics. - 2018. -Vol. 63, no. 10. - P. 402-406. DOI: 10.1134/S1028335818100014
- Babeshko V.A., Evdokimova O.V., Babeshko O.M. On the properties of topological discretization of solutions to boundary value problems // Ecological Bulletin of Research Centers of the Black Sea Economic Cooperation. - 2021. - Vol. 18, no. 1. -P. 8-13. DOI: 10.31429/vestnik-18-1-8-13
- Babeshko V.A., Evdokimova O.V., Babeshko O.M. Block elements in boundary-value problems for sets of differential equations of mechanics and physics in non-classical domains // Doklady Physics. - 2021. - Vol. 66, no. 6. - P. 169-174. DOI: 10.1134/S102833582106001X
- Igumnov L.A., Markov I.P. A boundary element approach for 3d transient dynamic problems of moderately thick multilayered anisotropic elastic composite plates // Materials Physics and Mechanics. - 2018. - Vol. 37, no. 1. - P. 79-83. DOI: 10.18720/MPM.3712018 11
