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 | УДК: 539.3 | DOI: 10.15593/perm.mech/2023.2.09
Peculiarities of SH wave propagation in a two-layer structure of inhomogeneous piezoelectric and dielectric layers
An approach to modeling dynamic processes in a semi-infinite composite plate of inhomogeneous piezoelectric and dielectric layers is proposed. When modeling the inhomogeneity of the layers, a two-component model with a functionally gradient change in properties was used, in which the physical parameters of the base material continuously change along the thickness up to the inclusion parameters. The material of the piezoelectric layer is a combination of PZT-based piezoceramics with a significant difference in speed characteristics. The possibility of localizing the inhomogeneity both at the outer surface of the plate, and in the middle of the layer or at the interface has been implemented. The dielectric layer is made of SiO2, the inhomogeneity of the dielectric layer models the interpenetration of the piezoelectric and the dielectric in a narrow transition region near the interface. The elastic and dielectric moduli of the piezoelectric material located near the interface were considered as parameters of the inclusion material. The outer surfaces of the composite plate are stress-free and electrically short-circuited. The problem of the propagation of surface SH-waves in a composite structure of functionally gradient piezo- and dielectric layers initiated by the action of an infinitely distant source of harmonic oscillations is considered. The solution is constructed in the space of Fourier images by reducing to the solution of a system of ordinary differential equations with variable coefficients, which in turn is constructed using the Runge - Kutta - Merson method. The dispersion equation of the problem is presented, the analysis of which made it possible to investigate the influence of the nature, size of the transition region of materials and localization of structural inhomogeneity on the behavior of SAW phase velocities for a wide frequency range. The results obtained are given in dimensionless parameters and may be of particular interest in the development, design and optimization of new materials for micro- and nanoscale devices and devices based on SH SAW with high performance characteristics.
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
