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. 1968a. 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. C. 63–65.
Фильтры на поверхностных акустических волнах. Расчет, технология и применение / под ред. Г. Мэттьюза. М.: Радио и связь, 1981. 472 с.
Alshits V.I., Darinskii A.N., Lothe J. On the existence of surface waves in half-infinite anisotropic elastic media with piezoelectric and piezomagnetic properties // Wave Motion. 1992a. 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. 1998a. 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. 2021a. 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 Sh0 Mode Multichannel Magnetostrictive Sensor // Measurement. 2023a. Vol. 223. 113790. DOI: 10.2139/ssrn.4515168
Pan E. Three-dimensional Green’s functions in anisotropic magneto-electro-elastic bimaterials // Zeitschrift für angewandte Mathematik und Physik. 2002a. 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. 2007a. 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. 2009a. Vol. 26, no. 10. 104301. DOI: 10.1088/0256-307x/26/10/104301
Bou Matar O., Gasmi N., Zhou H., Goueygou M., Talbi 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. 2013a. Vol. 133, no. 3. P. 1415–1424. DOI: 10.1121/1.4776198
Othmani C., Zhang H., Lü 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. 2022a. Vol. 286. 115245. DOI: 10.1016/j.compstruct.2022.115245
Dziatkiewicz G. New forms of the fundamental solutions for 3D magnetoelectroelasticity equations // Applied Mathematical Modelling. 2021a. 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. 2007a. 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. 2007a. 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. 2008a. 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. 2011a. 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. 2013a. 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. 2014a. 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. 2008a. 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 Mechanica. 2017a. 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. 2014a. 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. 2009a. 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. 2012a. 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. 2016a. Vol. 380, no. 38. P. 3013–3021. DOI: 10.1016/j.physleta.2016.07
Pang Y., 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. 2019a. Vol. 29, no. 3. P. 580–594. DOI: 10.1080/17455030.2018.1539277
Белянкова Т.И., Ворович Е.И., Турчин А.С. SH-волны на поверхности биморфной магнитоэлектроупругой пластины // Наука юга России. 2024. Т. 20, № 2. C. 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.I., Maugin G.A. Dynamics of multilayers: elastic waves in an anisotropic graded or stratified plate // Wave Motion. 2005a. 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. 2008a. Vol. 45, no. 5. P. 605–615. DOI: 10.1016/j.wavemoti.2007.07.008
###
Bleustein J.L. A new surface wave in piezoelectric materials. Applied Physics Letters. 1968b. Vol. 13. P. 412–413. DOI: 10.1063/1.1652495
Gulyaev Y.V. Electroacoustic surface waves in solids. Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters. 1969. Vol. 9. P. 37–38.
Matthews H. Surface wave filters: design, construction and use. New York: Wiley, 1977. 521 p.
Alshits V.I., Darinskii A.N., Lothe J. On the existence of surface waves in half-infinite anisotropic elastic media with piezoelectric and piezomagnetic properties. Wave Motion. 1992b. Vol. 16. P. 265–283. DOI: 10.1016/0165-2125(92)90033-X
Maugin G. Continuum Mechanics of Electromagnetic Solids. North Holland, 1988. 598 p.
Gulyaev Y.V. Review of shear surface acoustic waves in solids. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control. 1998b. 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. 2021b. 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 Sh0 Mode Multichannel Magnetostrictive Sensor. Measurement. 2023b. Vol. 223. 113790. DOI: 10.2139/ssrn.4515168
Pan E. Three-dimensional Green’s functions in anisotropic magneto-electro-elastic bimaterials. Zeitschrift für angewandte Mathematik und Physik. 2002b. 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. 2007b. 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. 2009b. Vol. 26, no. 10. 104301. DOI: 10.1088/0256-307x/26/10/104301
Bou Matar O., Gasmi N., Zhou H., Goueygou M., Talbi 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. 2013b. Vol. 133, no. 3. P. 1415–1424. DOI: 10.1121/1.4776198
Othmani C., Zhang H., Lü 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. 2022b. Vol. 286. 115245. DOI: 10.1016/j.compstruct.2022.115245
Dziatkiewicz G. New forms of the fundamental solutions for 3D magnetoelectroelasticity equations. Applied Mathematical Modelling. 2021b. 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. 2007b. 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. 2007b. 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. 2008b. 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. 2011b. 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. 2013b. 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. 2014b. 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. 2008b. 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 Mechanica. 2017b. 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. 2014b. 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. 2009b. 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. 2012b. 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. 2016b. Vol. 380, no. 38. P. 3013–3021. DOI: 10.1016/j.physleta.2016.07
Pang Y., 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. 2019b. Vol. 29, no. 3. P. 580–594. DOI: 10.1080/17455030.2018.1539277
Belyankova T.I., Vorovich E.I., Turchin A.S. SH-waves on the surface of a bimorph magnetoelectroelastic plate. Science in the South of Russia. 2024. Vol. 20, no. 2. P. 3–15. DOI: 10.7868/S25000640240201
Grinchenko V.T., Meleshko M.M. Garmonicheskiye kolebaniya i volny v uprugikh telakh. Kyiv: Naukova dumka, 1981. 284 p.
Alshits V.I., Maugin G.A. Dynamics of multilayers: elastic waves in an anisotropic graded or stratified plate. Wave Motion. 2005b. 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. 2008b. 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.
