Влияние геометрических параметров на распространение SH-волн в пьезоэлектрической/пьезомагнитной пластине
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2024.17.4.38Ключевые слова:
пьезоэлектрический материал, пьезомагнитный материал, магнитоэлектроупругий материал, поверхностные акустические волны с горизонтальной поляризацией, коэффициент электромагнитомеханической связиАннотация
В рамках квазистатического приближения исследуются особенности распространения сдвиговых горизонтально поляризованных волн в магнитоэлектроупругой составной пластине, контактирующей с вакуумом. Пластина представляет собой жестко сцепленные пьезоэлектрический и пьезомагнитный слои. На внешних поверхностях предполагается отсутствие механических напряжений и равенство нулю магнитного потенциала. В зависимости от характера задаваемых электрических условий рассмотрены задачи с электрически открытыми и электрически закрытыми внешними поверхностями. Волновой процесс инициирован действием удаленного источника гармонических колебаний и считается установившимся. Решение задач строится в образах Фурье в виде разложения по совокупности экспонент. Получены дисперсионные уравнения задач, которые приведены в удобном для численной реализации матричном виде. На примере пластины PZT-5H/CoFe2O4 установлена связь толщины каждого из ее слоев с особенностями трансформации фазовых и групповых скоростей поверхностных акустических волн с горизонтальной поляризацией (SH-ПАВ). При варьировании геометрических параметров системы фиксировалась толщина либо пластины, либо одного из слоев. В рамках задачи с электрически закрытыми внешними поверхностями установлены существенные различия в поведении скоростей в зависимости от толщины пьезоэлектрического и пьезомагнитного слоев. Определены условия максимального и минимального влияния толщин слоев на поведение 2-х и последующих мод SH-ПАВ. Показано, что при наличии в пластине очень тонкого пьезомагнитного слоя существенно меняется поведение 2-й моды ПАВ: возрастает как частота выхода моды, так и асимптотическое значение скорости. Выявлены закономерности влияния толщины пьезоэлектрического и пьезомагнитного слоев пластины на поведение коэффициента электромагнитомеханической связи в широком диапазоне частот. Полученные результаты приведены в безразмерных параметрах и могут представлять интерес при разработке новых функционально ориентированных материалов, оценке их эксплуатационных характеристик, а также при создании высокоэффективных устройств, работающих на поверхностных акустических волнах.
Скачивания
Библиографические ссылки
Bleustein J.L. A new surface wave in piezoelectric materials // Applied Physics Letters. 1968. Vol. 13. P. 412-413. DOI: 10.1063/1.1652495
Гуляев Ю.В. Поверхностные электрозвуковые волны в твердых телах // Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики. 1969. Т. 9, № 1. С. 63-65.
Фильтры на поверхностных акустических волнах. Расчет, технология и применение / под ред. Г. Мэттьюза. М.: Радио и связь, 1981.472 с.
Alshits V.L., Darinskii A.N., Lothe J. On the existence of surface waves in half-infinite anisotropic elastic media with piezoelectric and piezomagnetic properties //Wave Motion. 1992. Vol. 16. P. 265-283. DOI: 10.1016/0165-2125(92)90033-X
Можен Ж. Механика электромагнитных сплошных сред. М.: Мир, 1991. 560 с.
Gulyaev Y.V. Review of shear surface acoustic waves in solids // IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 1998. Vol. 45, no. 4. P. 935-938. DOI: 10.1109/58.710563
Vinyas M. Computational Analysis of Smart Magneto-Electro-Elastic Materials and Structures: Review and Classification // Archives of Computational Methods in Engineering. 2021. Vol. 28, no. 3. P. 1205-1248. DOI: 10.1007/s11831-020-09406-4
Wang H., Wu B., Gao X., Liu Y., Li X., Liu X. Ultrasonic Guided Wave Defect Detection Method for Tank Bottom Plate Based on ShO Mode Multichannel Magnetostrictive Sensor // Measurement. 2023. Vol. 223. 113790. DOI: 10.2139/ssrn.4515168
Pan E. Three-dimensional Green’s functions in anisotropic magneto-electro-elastic bimaterials // Zeitschrift fiir angewandte Mathcmatik und Physik. 2002. Vol. 53. P. 815-838. DOI: 10.1007/s00033-002-8184-1
Chen J., Pan E., Chen H. Wave propagation in magneto-electro-elastic multilayered plates // International Journal of Solids and Structures. 2007. Vol. 44, no. 3/4. P. 1073-1085. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2006.06.003
Wei W.-Y., Liu J.-X., Fang D.-N. Existence of Shear Horizontal Surface Waves in a Magneto-Electro-Elastic Material // Chinese Physics Letters. 2009. Vol. 26, no. 10. 104301. DOI: 10.1088/0256-307x/26/10/104301
Bou Matar O., Gasmi N., Zhou H., Goueygou M., Taibi A. Legendre and Laguerre polynomial approach for modeling of wave propagation in layered magneto-electro-elastic media//The Journal of the Acoustical Society of America. 2013. Vol. 133, no. 3. P. 1415-1424. DOI: 10.1121/1.4776198
Othmani C., Zhang H., Lii C., Qing Wang Y., Reza Kamali A. Orthogonal polynomial methods for modeling elastodynamic wave propagation in elastic, piezoelectric and magneto-electro-elastic composites—A review // Composite Structures. 2022. Vol. 286. 115245. DOI: 10.1016/j.compstruct.2022.1152451
Dziatkiewicz G. New forms of the fundamental solutions for 3D magnetoelectroelasticity equations // Applied Mathematical Modelling. 2021. Vol. 91. P. 563-580. DOI: 10.1016/j.apm. 2020.09.052
Melkumyan A. Twelve shear surface waves guided by clamped/free boundaries in magneto-electro-elastic materials // International Journal of Solids and Structures. 2007. Vol. 44. P. 3594-3599. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2006.09.016
Mai Y.-W., Niraula O.P., Wang B.L. A horizontal shear surface wave in magnetoelectroelastic materials // Philosophical Magazine Letters. 2007. Vol. 87. P. 53-58. DOI: 10.1080/09500830601096908
Liu J.-x., Fang D.-N., Wei W.-Y., Zhao X.-F. Love waves in layered piezoelectric/piezomagnetic structures // Journal of Sound and Vibration. 2008. Vol. 315. P. 146-156. DOI: 10.1016/j.jsv.2008.01.055
Zakharenko A.A. Analytical Investigation of Surface Wave Characteristics of Piezoelectromagnetics of Class 6 mm // ISRN Applied Mathematics. 201l. P. 1-8. DOI: 10.5402/2011/408529
Zakharenko A.A. Consideration of SH-wave fundamental modes in piezoelectromagnetic plate: electrically open and magnetically open boundary conditions // Waves in Random and Complex Media. 2013. Vol. 23, no. 4. P. 373-382. DOI: 10.1080/17455030.2013.834396
Zakharenko A.A. Investigation of SH-Wave Fundamental Modes in Piezoelectromagnetic Plate: Electrically Closed and Magnetically Closed Boundary Conditions // Open Journal of Acoustics. 2014. Vol. 4. P. 90-97. DOI: 10.4236/oja.2014.42009
Calas H., Otero J. A., Rodriguez-Ramos R., Monsivais G., Stern C. Dispersion relations for SH wave in magneto-electro-elastic heterostructures//International Journal of Solids and Structures. 2008. Vol. 45. P. 5356-5367. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2008.05.017
Ezzin H., Amor M.B., Ghozlen M.H.B. Propagation behavior of SH waves in layered piezoelectric/piezomagnetic plates // Acta Mcchanica. 2017. Vol. 228. P. 1071-1081. DOI: 10.1007/s00707-016-1744-9
Li L., Wei P.J. The piezoelectric and piezomagnetic effect on the surface wave velocity of magneto-electro-elastic solids // Journal of Sound and Vibration. 2014. Vol. 333, no. 8. P. 2312-2326. DOI: 10.1016/j.jsv.2013.12.005
Nie G., An Z., Liu J. SH-guided waves in layered piezoelectric/piezomagnetic plates // Progress in Natural Science. 2009. Vol. 19, no. 7. P. 811-816. DOI: 10.1016/j.pnsc.2008.10.007
Nie G., Liu J., Fang X., An Z. Shear horizontal (SH) waves propagating in piezoelectric-piezomagnetic bilayer system with an imperfect interface // Acta Mechanica. 2012. Vol. 223, no. 9. P. 1999-2009. DOI: 10.1007/s00707-012-0680-6
Wei H.-X., Li Y.-D., Xiong T., Guan Y. Propagation of SH waves in a piezoelectric/piezomagnetic plate: Effects of interfacial imperfection couplings and the related physical mechanisms // Physics Letters A. 2016. Vol. 380, no. 38. P. 3013-3021. DOI: 10.1016/j.physleta.2016.07
Pang K., Feng W., Liu J., Zhang C. SH wave propagation in a piezoelectric/piezomagnetic plate with an imperfect magnetoelectroelastic interface // Waves in Random and Complex Media. 2019. Vol. 29, no. 3. P. 580-594. DOI: 10.1080/17455030.2018.1539277
Белянкова Т.И., Ворован Е.И., Турчин А.С. SH-волны на поверхности биморфной магнитоэлектроупругой пластины // Наука юга России. 2024. Т. 20, № 2. С. 3-15. DOI: 10.7868/S25000640240201
Гринченко В.Т., Мелешко М.М. Гармонические колебания и волны в упругих телах. Киев: Наук. думка, 1981.284 с.
Alshits V.l., 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 H Wave Motion. 2008. Vol. 45, no. 5. P. 605-615. DOI: 10.1016/j.wavemoti.2007.07.008
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2025 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.