
Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (грант № 01-02-16228).
Цель настоящей работы состоит в том, чтобы по- ДперепутываниеУ ветвей. Дисперсионные ветви измененказать, как относительно слабое электромеханическое ного пьезоэффектом спектра строятся из сопряженных взаимодействие Ч пьезоэлектрический эффект Ч при- отрезков множества исходных ветвей. Поэтому при водит к радикальным изменениям в спектре собственных сканировании волнового числа вдоль одной из новых чисто поперечных (SH) акустических волн в сандвич- дисперсионных кривых волновое поле должно попереструктуре и к существенным изменениям в самих вол- менно ДпогасатьУ то в одной пластине, то в другой.
новых полях. Новые качества возникают в результате Рассмотрим эту картину более детально.
возмущения, снимающего вырождение, когда исчезают точки пересечения дисперсионных кривых. Подобный 1. Постановка задачи механизм, в частности, описан для лэмбовских волн в уединенных анизотропных пластинах [1,2], когда возмуИсследуемая сандвич-структура образована двумя щением является отклонение направления распрострапластинами, выполненными из поперечно-изотропных нения волнового поля от симметричной ориентации.
пьезоэлектрических материалов (рис. 1). Симметрия Рассматриваемая далее сандвич-структура образована материалов может быть любой из трех групп: mm, двумя пьезоэлектрическими пластинами, разделенными 6mm, 4mm [3]. В наше рассмотрение войдут следующие зазором, много меньшим, чем длина волны. При этом компоненты тензоров пьезоэлектрических коэффициенвзаимосвязь акустических полей в пластинах полностью тов e, диэлектрических проницаемостей и упругих обусловлена пьезоэффектом. Роль зазора сводится к модулей c:
исключению влияния сухого трения между пластинами.
В этом смысле можно в равной степени говорить как e15 = e24 e, 1 = 2, c44 = c55 c. (1) о зазоре, так и о скользящем контакте пластин: результаты расчетов одновременно описывают оба случая, Эти параметры характеризуют нижнюю пластину, поскольку относятся к поперечным SH-волнам с полями имеющую толщину d, плотность и занимающую смещений, параллельными границе. область 0 y d. Соответствующие параметры в верхПри отсутствии пьезоэлектрического взаимодействия ней пластине (-d y 0) будем обозначать,, c,.
волновые поля в пластинах независимы друг от друга. Главные оси симметрии пластин предполагаются паСоответственно каждая из множества дисперсионных раллельными друг другу, а сагиттальная плоскость xy кривых описывает SH-волны в какой-то одной из пластин (плоскость, в которой лежат все волновые векторы) рассматриваемой структуры. При этом точкам пересече- выбрана перпендикулярной этим осям.
ния кривых двух семейств отвечают невзаимодейству- Будем рассматривать SH-волны с упругими смещениющие волновые поля одновременно в двух пластинах. ями u и, перпендикулярными сагиттальной плоскости.
ДВключениеУ пьезоэффекта порождает взаимопроникно- Единственной отличной от нуля компонентой u является вение волновых полей и, следовательно, взаимодействие uz = u(x, y, t). Точно так же =(0, 0, z ), z = (x, y, t).
между SH-волнами, распространяющимися в гранича- Векторы смещения u и параллельны границе между щих друг с другом пластинах. В результате в каждой из пластинами и при рассматриваемом типе контакта через точек пересечения дисперсионных кривых двух семейств зазор (или скользящего контакта) чисто механическая должно произойти расталкивание, а следовательно, и связь между ними отсутствует. Однако пьезоэффект Аномальная дисперсия поперечных акустических волн в пьезоэлектрической сандвич-структуре механических напряжений: yi = 0 и yi = 0 (в рассмат риваемом случае только компоненты yz и yz не обращаются в нуль тождественно). На внутренней границе должны быть непрерывны электрические потенциалы [ (x, 0, y) = (x, 0, y)] и нормальные по отношению к этой границе компоненты электрических индукций [Dy (x, 0, y) = Dy (x, 0, y)]. Для облегчения вычислений будем считать, что внешние границы пластин металлизированы (при этом электрические поля не выходят за Рис. 1. Исследуемая сандвич-структура и ее акустические пределы рассматриваемой сандвич-структуры). Поэтому параметры. Полуокружности Ч сечения изочастотных пона этих границах будет необходимо обращение в нуль верхностей объемных поперечных волн, стрелками показаны потенциалов и. В результате получается система волновые векторы парциальных волн волноводной моде.
из восьми однородных алгебраических уравнений, в которой неизвестные Ч амплитудные коэффициенты a, b, , b. Избегая громоздких выкладок, не будем порождает электромеханическую связь, и акустические приводить явный вид этих уравнений. Условие разрешиполя в граничащих пластинах оказываются взаимосвямости этой системы Ч обращение в нуль ее детермизанными. Волны упругих смещений u в силу пьезоэфнанта Ч определяет бесконечный спектр зависимостей фекта индуцируют квазистатические электрические по- фазовой скорости v от волнового числа: v = v(n)(k) ля, характеризуемые потенциалом = (e/)u(x, y, t).
u (n = 1, 2,...). В основе дальнейшего анализа лежит Кроме того, в общее волновое поле вносят вклад исследование этого спектра.
кулоновские неоднородные волны электрического поля, характеризуемые потенциалом (см. [4]). Таким обраc 2. Дисперсионные кривые зом, суммарный потенциал (x, y, t) должен быть равен сумме = +. При этом волновое поле в нижней при отсутствии пьезоэффекта u c пластине можно представить в следующем виде:
В этом случае акустическая связь между пластинами u(x, y, t) u(y) отсутствует, и волновые поля соседних пластин не = exp ik(x -vt). (2) влияют друг на друга. При выбранной нами ориентации (x, y, t) (e/)u(y) + (y) c сагиттальной плоскости описание этих полей в каждой отдельной пластине будет точно таким же, как и в Здесь k Чволновое число, v = /k Ч фазовая скорость пластинах из изотропного материала (см. [5,6]). Далее распространения волнового поля вдоль оси x, Ч основной интерес для нас будут представлять структура частота, t Ч время. Введенные в (2) функции u(y) и картины, возникающей при наложении дисперсионных (y) могут быть представлены в виде c кривых двух пластин друг на друга, и точки пересечения дисперсионных ветвей.
u(y) =a+ exp i pk(y - d/2) + a- exp -i pk(y - d/2), В каждой из пластин собственные волны подраз(3) деляются на симметричные и антисимметричные. Для (y) =b+ exp -k(y - d/2) + b- exp k(y - d/2). (4) c симметричных волн отражение в центральной плоскости пластины не меняет векторного волнового поля упругих В (3), (4) использован безразмерный параметр p, опресмещений, а для антисимметричных это поле при таком деляющий направление распространения двух объемных отражении меняет знак на противоположный. Дисперсипарциальных волн, онное уравнение, одновременно описываюшее оба типа этих волн в нижней пластине, имеет вид p p(v) = v2/vt - 1, vt =(c + c2/)/ (5) sin(pkd) =0. (6) (рис. 1). В (5) vt Ч скорость SH-волны в материале пластины. Волновое поле в верхней пластине опреОтсюда следует, что деляется аналогичными сотношениями после замены в них u,,, e,, a, b, p, vt, c,,, c,,, c p(v(n)) =n/kd, (7) , b, p, t, c, соответственно.
Соотношения между амплитудными коэффициентами где n = 0, 2, 4,... для симметричных волн (в них a, b, , b парциальных волн находятся из гранич- a+ = a-) и n = 1, 3, 5,... для антисимметричных волн ных условий. На внешних границах y = d, y = -d и на (в них a+ = -a-). Аналогичные соотношения имеем и внутренней границе y = 0 при рассматриваемом типе для верхней пластины, для которой контакта между пластинами должны обращаться в нуль все нормальные по отношению к границам компоненты p(v()) =/kd. (8) 5 Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. 834 В.И. Альшиц, В.Н. Любимов Дискретные параметры n и здесь и далее определяют номера дисперсионных ветвей соответственно в нижней и верхней пластинах.
Разрешая уравнения (7) и (8) относительно фазовых скоростей (см. (5)), нетрудно получить явные выражения, описывающие все невозмущенные дисперсионные ветви для нижней и верхней пластин, v(n)(k) =vt (n/kd)2 + 1, v()(k) = t (/kd)2 + 1. (9) Каждая из зависимостей в (9) описывает серию кривых, которые не пересекаются друг с другом (рис. 2). Однако для двух пластин, отличающихся численными значениями материальных характеристик (vt = t, d = d), эти семейства кривых при наложении друг на друга имеют множественные пересечения (рис. 3, a). Из формул (9) находим координаты всего множества точек пересечения ветвей, определяемых номерами n и, (nvt/d)2 - (t/d)kn =, 2 t - vt (n/d)2 - (/d)vn = vtt. (10) (nvt/d)2 - (t/d)Требование вещественности найденных координат определяет все множество значений номеров n и пересекающихся ветвей.
Рис. 3. Схема трансформации дисперсионных кривых под влиянием пьезоэффекта. a Ч фрагмент области пересечения дисперсионных кривых собственных волн в невзаимодействующих пластинах; b Ч трансформация в окрестности любой из точек пересечения, пунктиром показан ход кривых при отсутствии пьезоэффекта; c Ч трансформированная система дисперсионных кривых, показанных на части a.
Зная фазовые скорости волн, можно определить их групповые скорости, используя общее соотношение между этими двумя видами скоростей vg = v + kv/k.
Рис. 2. Дисперсионные кривые собственных волн в нижней При этом из формул (9) получаем пластине при отсутствии пьезоэффекта. Сплошные кривые соответствуют симметричным волновым поля, а штриховые Ч 2 v(n)(k) =vt /v(n)(k), ()(k) = t /v()(k). (11) g g антисимметричным.
Физика твердого тела, 2003, том 45, вып. Аномальная дисперсия поперечных акустических волн в пьезоэлектрической сандвич-структуре Для координат точек пересечения ветвей групповых одна из пластин непьезоэлектрическая, пьезоэффект, скоростей теперь имеем существующий лишь в одной из пластин, не устраняя точки пересечения ветвей, только сдвигает их; формула (13) характеризует меру такого сдвига.
(n/vtd)2 - (/td)kn = vtt, g Анализ расщепления ветвей групповых скоростей по2 vt - t казывает, что оно также реализуется, но оказывается величиной более высокого порядка малости 22 по (n/vtd)2 - (/td)сравнению с расщеплением ветвей фазовых скоростей.
vn = vtt. (12) g (n/d)2 - (/d)2 Мы не будем здесь приводить соответствующие гроКак следует из соотношений (10) и (12), при vt = t моздкие формулы.
Проведенный приближенный анализ предполагает рассматриваемые пересечения ветвей в семействах как определенную малость коэффициентов электромеханифазовых, так и групповых скоростей отсутствуют.
ческой связи, а такое предположение обычно хорошо оправдывается на практике. Однако, несмотря на слабость пьезоэффекта, его влияние на геометрию диспер3. Трансформация спектра сионных кривых оказалось весьма радикальным. Элекпод влиянием пьезоэффекта тромеханическое взаимодействие приводит к исчезновению точек пересечения дисперсионных кривых: они расПьезоэффект, обеспечивая взаимосвязь акустических талкиваются на величину, пропорциональную коэффиполей в граничащих друг с другом пластинах, при циентам электромеханической связи 2 2 (см. (13)).
водит к устранению свойств симметрии волновых поПри этом происходит перепутывание изначально незавилей, поскольку материальные характеристики пластин симых ветвей, каждая ветвь измененной пьезоэффектом различны. Но самое существенное Ч это радикальсистемы дисперсионных кривых строится из сопряженная перестройка всей системы дисперсионных кривых.
ных отрезков множества исходных ветвей, отвечающих Опишем ее для семейства ветвей фазовых скоростей.
волновым полям как в одной, так и в другой пластинах.
Все точки пересечения дисперсионных кривых исчезают, В результате зависимость основных зон локализации кривые расталкиваются (рис. 3, aЦc). Опуская доставолнового поля от волнового числа (или частоты) принточно громоздкие алгебраические выкладки и считая ципиально меняется. При плавном изменении волнового пьезоэффект малым возмущением, приведем величину, числа зоны локализации волнового поля с определенной характеризующую расталкивание дисперсионных ветвей периодичностью должны переходить от одной пластины фазовых скоростей, имеющих номера n и, к другой, оказываясь соразмерными в обеих пластинах вблизи точек ДразрываУ. Вблизи таких точек перехода (k/)резко меняется производная v/k, т. е. небольшое изDn = 2| k| = |F1| менение волнового числа влечет за собой значительное изменение групповой скорости распространения вол (2Gd/n2 + 2Gd/2)2 - 8(2F1d/n2)(2F2d/2). (13) нового поля. Естественно, ветви групповых скоростей при включении взаимодействия тоже расщепляются, но Здесь 2 = e2/c и 2 - 2/c Ч коэффициенты элек- величина этого расщепления значительно меньше, чем тромеханической связи для нижней и верхней пластин для фазовых скоростей: она пропорциональна 22.
соответственно. В (13) введены следующие функции: Заметим, что выявленная картина дисперсионных аномалий качественно не изменится в электрически ДоткрыF1 = gcgs +gsgc, F2 = gs (gc -1)+gs(gc -1), (14) тыхУ сандвич-структурах, внешние поверхности которых не металлизированы.
G = gs gs + 2gc(gc - 1), G = gsgs + 2gc(gc - 1), (15) Список литературы gs =(-1)n sh(kd), gs =(-1) sh(kd), [1] В.Н. Любимов, В.И. Альшиц. Кристаллография 33, 2, gc =(-1)n ch(kd), gc =(-1) ch(kd). (16) (1988).
В формулах (13) и (16) величина k Ч координата точек [2] V.I. Alshits, M. Deschamp, G.A. Maugin. Wave Motion 37, пересечения ветвей, заданная соотношениями (10).
in press (2003).
Если обе пластины имеют одинаковые материальные [3] Ю.И. Сиротин, М.П. Шаскольская. Основы кристаллофизихарактеристики, то при отсутствии пьезоэффекта дис- ки. Наука, М. (1975). 680 с.
персионные кривые этих пластин полностью совпада- [4] М.К. Балакирев, И.А. Гилинский. Волны в пьезокристаллах.
Pages: | 1 | 2 |