Волны Рэлея в электроупругой среде с преднапряженным неоднородным покрытием
DOI:
https://doi.org/10.21638/spbu01.2023.402Аннотация
В статье предложен подход к изучению влияния начальных механических напряжений и электростатического поля на структуру и поведение волн Рэлея в пьезоэлектрических средах с неоднородными покрытиями. Рассматриваются двухкомпонентные покрытия, выполненные из функционально-градиентного пьезоэлектрического материала с высокоскоростными или низкоскоростными включениями. Исследовано влияние типа неоднородности и характера начальных механических напряжений на особенности распространения волн Рэлея в случаях наличия или отсутствия начального электростатического поля. Показано, что наличие начального электростатического поля низкой интенсивности слабо влияет на действие начальных механических напряжений в зависимости от его направления. Наличие высокоинтенсивного электростатического поля приводит к дополнительным деформациям материала, значительным изменениям в скоростях ПАВ и существенным изменениям структуры поверхностного волнового поля. Полученные результаты представлены в безразмерных параметрах и могут быть полезны при разработке, проектировании и оптимизации новых материалов для микро- и наноустройств на основе поверхностных акустических волн Рэлея с высокими эксплуатационными характеристиками.
Ключевые слова:
пьезоэлектрическая структура, подложка, неоднородное покрытие, функционально-градиентный пьезоэлектрический материал, начальные напряжения, начально-деформированное состояние, внешнее электростатическое поле, поверхностные акустические волны, рэлеевские волны
Скачивания
Данные скачивания пока недоступны.
Библиографические ссылки
Литература
1. Mason W. P. Physical acoustics and the properties of solids. Princeton, N. J., Van Nostrand (1958).
2. Викторов И.А. Физические основы применения ультразвуковых волн Рэлея и Лэмба в технике. Москва, Наука (1966).
3. Dieulesaint E., Royer D. Ondes Elastiques Dans Les Solides. Application au traitement du signal. Paris, Ed. Masson (1974).
4. Matthews H. (ed.) Surface Wave Filters. Design, Construction and Use. New York, John Wiley & Sons (1977).
5. Achenbach J.D. Wave Propagation in Elastic Solids. North-Holland, Amsterdam (1973).
6. Auld B. A. Acoustic Fields and Waves in Solids. vol. 2. Krieger, Malabar, FL (1990).
7. Biryukov S.V., Gulyaev Y.V., Krylov V.V., Plessky V.P. Surface Acoustic Waves in Inhomogeneous Media. New York, Springer-Verlag (1995).
8. Shuvalov A. L., Every A. G. Some properties of surface acoustic waves in anisotropic-coated solids, studied by the impedance method. Wave Motion 36 (3), 257-273 (2002). https://doi.org/10.1016/S0165-2125(02)00013-6
9. Гольдштейн Р.В., Кузнецов С. В. Поверхностные акустические волны в диагностике слоистых сред. Чувствительность волн к вариации свойств отдельных слоев. ПММ 77 (1), 74-82 (2013).
10. Белянкова Т.И., Калинчук В.В. К проблеме анализа динамических свойств слоистого полупространства. Акустический журнал 60 (5), 492-504 (2014).
11. Alshits V. I., Maugin G.A. Dynamics of multilayers: elastic waves in an anisotropic graded or stratified plate. Wave Motion 41 (4), 357-394 (2005). https://doi.org/10.1016/j.wavemoti.2004.09.002
12. Destrade M. Seismic Rayleigh waves on an exponentially graded, orthotropic halfspace. Proceedings: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 463 (2078), 495-502 (2007). http://www.jstor.org/stable/20209130
13. Калинчук В.В., Белянкова Т.И. Динамические контактные задачи для предварительно напряженных тел. Москва, Физматлит (2002).
14. Auld B.A. Wave propagation and resonance in piezoelectric materials. J. Acoust. Soc. Am. 70 (6), 1577-1585 (1981). https://doi.org/10.1121/1.387223
15. Zinchuk L.P., Podlipenets A.N. Dispersion equations for Rayleigh waves in a piezoelectric periodically layered structure. Journal of Mathematical Sciences 103 (3), 398-403 (2001). https://doi.org/10.1023/A:1011382816558
16. Othmani C., Labiadh L., Lu C., Kamali A. R., Takali F. Influence of a piezoelectric ZnO intermediate layer on Rayleigh waves propagating in Sc 43% AlN 57% /ZnO/diamond hetero-structures subjected to uniaxial stress. Eur. Phys. J. Plus 135, 898 (2020). https://doi.org/10.1140/epjp/s13360-020-00912-9
17. Желнорович В.А. Поверхностные волны Релея и Блюстейна-Гуляева в упругих пьезоэлектриках при наличии релаксации диэлектрическойполяризации. ПММ 79 (2), 273-285 (2015).
18. Favretto-Cristini N., Komatitsch D., Carcione J.M., Cavallini F. Elastic surface waves in crystals. Part 1: Review of the physics. Ultrasonics 51 (6), 653-660 (2011). https://doi.org/10.1016/j.ultras.2011.02.007
19. Wang W., Liang J., Ruan Y., Pang W., You Z. Design and fabrication of an surface acoustic wave resonator based on AlN/4H-SiC material for harsh environments. Journal of Zhejiang University-SCIENCE A. 18 (1), 67-74 (2017). https://doi.org/10.1631/jzus.a1600028
20. Tiersten H.F. Elecrtoelastic interactions and the piezoelectric equations. J. Acoust. Soc. Am. 70, 1567-1576 (1981).
21. Калинчук В.В., Белянкова Т.И. Динамические контактные задачи для предварительно напряженных электроупругих тел. Москва, Физматлит (2006).
22. Евдокимова О. В., Белянкова Т.И., Калинчук В.В. Уравнения динамики преднапряженной пьезоактивной среды при наличии внешнего электростатического поля. Вестник Южного научного центра РАН 3 (4), 19-25 (2007).
23. Белянкова Т.И., Калинчук В.В., Шейдаков Д.Н. Уравнения динамики преднапряженной электротермоупругойсреды . Вестник Южного научного центра РАН 7 (2), 5-14 (2011).
24. Burkov S. I., Zolotova O.P., Sorokin B. P. Influence of bias electric field on elastic waves propagation in piezoelectric layered structures. Ultrasonics 53 (6), 1059-1064 (2013).
25. Cao X., Jin F.,Wang Z. On dispersion relations of Rayleigh waves in a functionally graded piezoelectric material (FGPM) half-space. Acta Mech. 200, 247-261 (2008). https://doi.org/10.1007/s00707-008-0002-1
26. Ben Salah I., Njeh A., Ben Ghozlen M.H. A theoretical study of the propagation of Rayleigh waves in a functionally graded piezoelectric material (FGPM). Ultrasonics 52 (2), 306-314 (2012). https://doi.org/10.1016/j.ultras.2011.08.016
27. Hemalatha K., Kumar S., Prakash D. Dispersion of Rayleigh wave in a functionally graded piezoelectric layer over elastic substrate. Forces in Mechanics (10), 100171 (2023). https://doi.org/10.1016/j.finmec.2023.100171
28. Ezzin H., Mkaoir M., Amor M.B. Rayleigh wave behavior in functionally graded magnetoelectro-elastic material. Superlattices and Microstructures 112, 455-469 (2017). https://doi.org/10.1016/j.spmi.2017.10.001
29. Belyankova T. I., Vorovich E. I., Kalinchuk V. V., Tukodova O.M. Features of Rayleigh Waves Propagation in Structures with FGPM Coating Made of Various Materials. Springer Proceedings in Materials. Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications 10, 245-259 (2021). https://doi.org/10.1007/978-3-030-76481-4_22
30. Belyankova T. I., Kalinchuk V.V. On the dynamics of an inhomogeneous prestressed electroelastic medium under the influence of an external electric field. Mechanics of Solids 56 (7), 242-250 (2021). https://doi.org/10.3103/S0025654421070098
References
1. Mason W. P. Physical acoustics and the properties of solids. Princeton, N. J., Van Nostrand (1958).
2. Viktorov I. A. Rayleigh and Lamb Waves: Physical Theory and Applications. New York, Plenum Press (1967). [Rus. ed.: Viktorov I.A. Fizicheskie osnovy primeneniya ul’trazvukovyh voln Releya i Lemba v tekhnike. Moscow, Nauka Publ. (1966)].
3. Dieulesaint E., Royer D. Ondes Elastiques Dans Les Solides. Application au traitement du signal. Paris, Ed. Masson (1974).
4. Matthews H. (ed.) Surface Wave Filters. Design, Construction and Use. New York, John Wiley & Sons (1977).
5. Achenbach J.D. Wave Propagation in Elastic Solids. North-Holland, Amsterdam (1973).
6. Auld B. A. Acoustic Fields and Waves in Solids., vol. 2. Krieger, Malabar, FL (1990).
7. Biryukov S.V., Gulyaev Y.V., Krylov V.V., Plessky V.P. Surface Acoustic Waves in Inhomogeneous Media. New York, Springer-Verlag (1995).
8. Shuvalov A. L., Every A. G. Some properties of surface acoustic waves in anisotropic-coated solids, studied by the impedance method. Wave Motion 36 (3), 257-273 (2002). https://doi.org/10.1016/S0165-2125(02)00013-6
9. Goldstein R.V., Kuznetsov S.V. Surface acoustic waves in the testing of layered media. The waves’ sensitivity to variations in the properties of the individual layers. J. Appl. Math. Mech. 77 (1), 74-82 (2013). (In Russian) [Eng. transl.: J. Appl. Math. Mech. 77 (1), 51-56 (2013) https://doi.org/10.1016/j.jappmathmech.2013.04.007].
10. Belyankova T. I., Kalinchuk V.V. On the problem of analyzing the dynamic properties of a layered half-space. Acoust. Phys. 60, 492-504 (2014). (In Russian) [Eng. transl.: Acoust. Phys. 60, 530-542 (2014). https://doi.org/10.1134/S1063771014050017].
11. Alshits V. I., Maugin G.A. Dynamics of multilayers: elastic waves in an anisotropic graded or stratified plate. Wave Motion 41 (4), 357-394 (2005). https://doi.org/10.1016/j.wavemoti.2004.09.002
12. Destrade M. Seismic Rayleigh waves on an exponentially graded, orthotropic halfspace. Proceedings: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 463 (2078), 495-502 (2007). http://www.jstor.org/stable/20209130
13. Kalinchuk V. V., Belyankova T. I. Dynamic Contact Problems for Preliminary Stressed Solids. Moscow, Fizmatlit Publ. (2002). (In Russian)
14. Auld B.A. Wave propagation and resonance in piezoelectric materials. J. Acoust. Soc. Am. 70 (6), 1577-1585 (1981). https://doi.org/10.1121/1.387223
15. Zinchuk L.P., Podlipenets A.N. Dispersion equations for Rayleigh waves in a piezoelectric periodically layered structure. Journal of Mathematical Sciences 103 (3), 398-403 (2001). https://doi.org/10.1023/A:1011382816558
16. Othmani C., Labiadh L., Lu C., Kamali A. R., Takali F. Influence of a piezoelectric ZnO intermediate layer on Rayleigh waves propagating in Sc 43% AlN 57% /ZnO/diamond hetero-structures subjected to uniaxial stress. Eur. Phys. J. Plus 135, 898 (2020). https://doi.org/10.1140/epjp/s13360-020-00912-9
17. Zhelnorovich V.A. Rayleigh and Bleustein-Gulyayev surface waves in elastic piezoelectric materials with relaxation of dielectric polarization. J. Appl. Math. Mech. 79 (2), 273-285 (2015). (In Russian) [Eng. transl.: J. Appl. Math. Mech. 79 (2), 186-194. https://doi.org/10.1016/j.jappmathmech.2015.07.010].
18. Favretto-Cristini N., Komatitsch D., Carcione J.M., Cavallini F. Elastic surface waves in crystals. Part 1: Review of the physics. Ultrasonics 51 (6), 653-660 (2011). https://doi.org/10.1016/j.ultras.2011.02.007
19. Wang W., Liang J., Ruan Y., Pang W., You Z. Design and fabrication of an surface acoustic wave resonator based on AlN/4H-SiC material for harsh environments. Journal of Zhejiang University-SCIENCE A. 18 (1), 67-74 (2017). https://doi.org/10.1631/jzus.a1600028
20. Tiersten H.F. Elecrtoelastic interactions and the piezoelectric equations. J. Acoust. Soc. Am. 70, 1567-1576 (1981).
21. Kalinchuk V. V., Belyankova T. I. Dynamic Contact Problems for Prestressed Electroelastic Media. Moscow, Fizmatlit Publ. (2006). (In Russian)
22. Evdokimova O.V., Belyankova T. I., Kalinchuk V.V. Equations of Dynamics of Prestressed Piezoactive Medium in the Presence of External Electrostatic Field. Vestnik Yuzhn. Nauchn. Tsentra RAN 3 (4), 19-25 (2007). (In Russian)
23. Belyankova T. I., Kalinchuk V.V., Sheidakov D.N. Dynamics equations for prestressed electrothermoelastic medium. Vestnik Yuzhn. Nauchn. Tsentra RAN 7 (2), 5-14 (2011). (In Russian)
24. Burkov S. I., Zolotova O.P., Sorokin B. P. Influence of bias electric field on elastic waves propagation in piezoelectric layered structures. Ultrasonics 53 (6), 1059-1064 (2013).
25. Cao X., Jin F.,Wang Z. On dispersion relations of Rayleigh waves in a functionally graded piezoelectric material (FGPM) half-space. Acta Mech. 200, 247-261 (2008). https://doi.org/10.1007/s00707-008-0002-1
26. Ben Salah I., Njeh A., Ben Ghozlen M.H. A theoretical study of the propagation of Rayleigh waves in a functionally graded piezoelectric material (FGPM). Ultrasonics 52 (2), 306-314 (2012). https://doi.org/10.1016/j.ultras.2011.08.016
27. Hemalatha K., Kumar S., Prakash D. Dispersion of Rayleigh wave in a functionally graded piezoelectric layer over elastic substrate. Forces in Mechanics 10, 100171 (2023). https://doi.org/10.1016/j.finmec.2023.100171
28. Ezzin H., Mkaoir M., Amor M.B. Rayleigh wave behavior in functionally graded magnetoelectro-elastic material. Superlattices and Microstructures 112, 455-469 (2017). https://doi.org/10.1016/j.spmi.2017.10.001
29. Belyankova T. I., Vorovich E. I., Kalinchuk V. V., Tukodova O.M. Features of Rayleigh Waves Propagation in Structures with FGPM Coating Made of Various Materials. Springer Proceedings in Materials. Physics and Mechanics of New Materials and Their Applications 10, 245-259 (2021). https://doi.org/10.1007/978-3-030-76481-422
30. Belyankova T. I., Kalinchuk V.V. On the dynamics of an inhomogeneous prestressed electroelastic medium under the influence of an external electric field. Mechanics of Solids 56 (7), 242-250 (2021). https://doi.org/10.3103/S0025654421070098
Загрузки
Опубликован
23.12.2023
Как цитировать
Белянкова, Т. И., & Калинчук, В. В. (2023). Волны Рэлея в электроупругой среде с преднапряженным неоднородным покрытием. Вестник Санкт-Петербургского университета. Математика. Механика. Астрономия, 10(4), 600–615. https://doi.org/10.21638/spbu01.2023.402
Выпуск
Раздел
К юбилею А. К. Беляева
Лицензия
Статьи журнала «Вестник Санкт-Петербургского университета. Математика. Механика. Астрономия» находятся в открытом доступе и распространяются в соответствии с условиями Лицензионного Договора с Санкт-Петербургским государственным университетом, который бесплатно предоставляет авторам неограниченное распространение и самостоятельное архивирование.
