Refine
Document Type
- Article (reviewed) (4)
- Part of a Book (1)
- Conference Proceeding (1)
- Doctoral Thesis (1)
- Article (unreviewed) (1)
Conference Type
- Konferenzartikel (1)
Has Fulltext
- no (8)
Is part of the Bibliography
- yes (8)
Keywords
- Surface acoustic waves (2)
- Finite element method (1)
- Guided waves (1)
- Lasertechnologie (1)
- Optical phase matching (1)
- Silicon crystal (1)
- Ultraschall (1)
- Wave propagation (1)
- Waveguides (1)
- Wedge waves (1)
Institute
Open Access
- Closed Access (8) (remove)
Surface acoustic waves are propagated toward the edge of an anisotropic elastic medium (a silicon crystal), which supports leaky waves with a high degree of localization at the tip of the edge. At an angle of incidence corresponding to phase matching with this leaky wedge wave, a sharp peak in the reflection coefficient of the surface wave was found. This anomalous reflection is associated with efficient excitation of the leaky wedge wave. In laser ultrasound experiments, surface acoustic wave pulses were excited and their reflection from the edge of the sample and their partial conversion into leaky wedge wave pulses was observed by optical probe-beam deflection. The reflection scenario and the pulse shapes of the surface and wedge-localized guided waves, including the evolution of the acoustic pulse traveling along the edge, have been confirmed in detail by numerical simulations.
Propagation of acoustic waves is considered in a system consisting of two stiff quarter-spaces connected by a planar soft layer. The two quarter-spaces and the layer form a half-space with a planar surface. In a numerical study, surface waves have been found and analyzed in this system with displacements that are localized not only at the surface, but also in the soft layer. In addition to the semi-analytical finite element method, an alternative approach based on an expansion of the displacement field in a double series of Laguerre functions and Legendre polynomials has been applied.
It is shown that a number of branches of the mode spectrum can be interpreted and remarkably well described by perturbation theory, where the zero-order modes are the wedge waves guided at a rectangular edge of the stiff quarter-spaces or waves guided at the edge of a soft plate with rigid surfaces.
For elastic moduli and densities corresponding to the material combination PMMA–silicone–PMMA, at least one of the branches in the dispersion relation of surface waves trapped in the soft layer exhibits a zero-group velocity point.
Potential applications of these 1D guided surface waves in non-destructive evaluation are discussed.
Laser ultrasound was used to determine dispersion curves of surface acoustic waves on a Si (001) surface covered by AlScN films with a scandium content between 0 and 41%. By including off-symmetry directions for wavevectors, all five independent elastic constants of the film were extracted from the measurements. Results for their dependence on the Sc content are presented and compared to corresponding data in the literature, obtained by alternative experimental methods or by ab-initio calculations.
In numerical calculations, guided acoustic waves, localized in two spatial dimensions, have been shown to exist and their properties have been investigated in three different geometries, (i) a half-space consisting of two elastic media with a planar interface inclined to the common surface, (ii) a wedge made of two elastic media with a planar interface, and (iii) the free edge of an elastic layer between two quarter-spaces or two wedge-shaped pieces of a material with elastic properties and density differing from those of the intermediate layer.
For the special case of Poisson media forming systems (i) and (ii), the existence ranges of these 1D guided waves in parameter space have been determined and found to strongly depend on the inclination angle between surface and interface in case (i) and the wedge angle in case (ii). In a system of type (ii) made of two materials with strong acoustic mismatch and in systems of type (iii), leaky waves have been found with a high degree of spatial localization of the associated displacements, although the two materials constituting these structures are isotropic.
Both the fully guided and the leaky waves analyzed in this work could find applications in non-destructive evaluation of composite structures and should be accounted for in geophysical prospecting, for example.
A critical comparison is presented of the two computational approaches employed, namely a semi-analytical finite element scheme and a method based on an expansion of the displacement field in a double series of special functions.
Micro-cracks give rise to non-analytic behavior of the stress-strain relation. For the case of a homogeneous spatial distribution of aligned flat micro-cracks, the influence of this property of the stress-strain relation on harmonic generation is analyzed for Rayleigh waves and for acoustic wedge waves with the help of a simple micromechanical model adopted from the literature. For the efficiencies of harmonic generation of these guided waves, explicit expressions are derived in terms of the corresponding linear wave fields. The initial growth rates of the second harmonic, i.e., the acoustic nonlinearity parameter, has been evaluated numerically for steel as matrix material. The growth rate of the second harmonic of Rayleigh waves has also been determined for microcrack distributions with random orientation, using a model expression for the strain energy in terms of strain invariants known in a geophysical context.
Among the various types of guided acoustic waves, acoustic wedge waves are non-diffractive and non-dispersive. Both properties make them susceptible to nonlinear effects. Investigations have recently been focused on effects of second-order nonlinearity in connection with anisotropy. The current status of these investigations is reviewed in the context of earlier work on nonlinear properties of two-dimensional guided acoustic waves, in particular surface waves. The role of weak dispersion, leading to solitary waves, is also discussed. For anti-symmetric flexural wedge waves propagating in isotropic media or in anisotropic media with reflection symmetry with respect to the wedge’s mid-plane, an evolution equation is derived that accounts for an effective third-order nonlinearity of acoustic wedge waves. For the kernel functions occurring in the nonlinear terms of this equation, expressions in terms of overlap integrals with Laguerre functions are provided, which allow for their quantitative numerical evaluation. First numerical results for the efficiency of third-harmonic generation of flexural wedge waves are presented.
Laser pulses focused near the tip of an elastic wedge generate acoustic waves guided at its apex. The shapes of the acoustic wedge wave pulses depend on the energy and the profile of the exciting laser pulse and on the anisotropy of the elastic medium the wedge is made of. Expressions for the acoustic pulse shapes have been derived in terms of the modal displacement fields of wedge waves for laser excitation in the thermo-elastic regime and for excitation via a pressure pulse exerted on the surface. The physical quantity considered is the local inclination of a surface of the wedge, which is measured optically by laser-probe-beam deflection. Experimental results on pulse shapes in the thermo-elastic regime are presented and confirmed by numerical calculations. They pertain to an isotropic sharp-angle wedge with two wedge-wave branches and to a non-reciprocity phenomenon at rectangular silicon edges.
Клиновые акустические волны в твёрдом те-ле — это третий фундаментальный тип волн, после объёмных и поверхност-ных волн, импульсы которых распространяются без изменений своих форм (дисперсия отсутствует). Систему упругого клина можно получить из систе-мы упругого полупространства, “разрезав” его вдоль некоторой плоскости, а систему упругого полупространства можно получить из распределённой в пространстве упругой среды тем же методом, поэтому связи между поверх-ностными и объёмными волнами должны во многом повторяться при рас-смотрении клиновых и поверхностных волн. Например, существование быст-рых псевдоповерхностных волн в системе упругого полупространства, излу-чающих энергию при распространении в объёмные волны, имеет свой аналог и для системы упругого клина: совсем недавно были открыты псевдоклино-вые волны, излучающие как объёмные, так и поверхностные волны по мере своего распространения. С другой стороны, в этой же последовательности объёмных, поверхностных и клиновых волн должны выделяться и отличи-тельные особенности. Если поверхностные волны отличаются от объёмных волн тем, что они локализованы на двухмерной поверхности (объёмные вол-ны являются нелокализованными), то клиновые волны локализованы вдоль одномерной поверхности (линии) — кромки клина. Клиновые волны — это волноводные акустические волны, которые распространяются без дифракци-онных потерь, а также они не обладают дисперсией, поскольку в системе бесконечного упругого клина нет ни одного параметра размерности длины.
В заключении приведены основные результаты работы, которые со-стоят в следующем:
1. С помощью метода функций Лагерра была построена функция динами-ческого отклика на импульсный линейный источник (функция Грина) для задачи Лэмба в полупространстве, а также были изучены вопросы о сходимости и устойчивости данного построения. Было показано, что в предельном случае построенная функция динамического отклика совпа-дает с классической функцией Грина для этой задачи.
2. На основе результатов предыдущего пункта была построена функция Грина для упругого клина (и функция плотности состояния на кром-ке, совпадающая с диагональными компонентами функции Грина), с по-мощью которой удалось идентифицировать импульсы псевдоклиновых волн на экспериментальных кривых.
3. Для определённых клиновых конфигураций в анизотропных упругих средах (тетрагональных кристаллах) удалось получить критерий суще-ствования клиновых волн на основе характеристик поверхностных волн, распространяющихся на гранях исследуемых конфигураций, а также в некоторых случаях удалось классифицировать клиновые волны по типу симметрии.
4. Была разработана теория, описывающая формы импульсов клиновых волн при различных режимах генерации: абляционном и термоупругом.
5. Для клиновых волн была представлена нелинейная теория второго по-рядка. Были проведены численные расчёты функции ядра эволюцион-ного уравнения клиновых волн для кремниевых клиньев с одной гранью, совпадающей с поверхностью (111) (поверхность скола), и с произволь-ной ориентацией второй грани.
6. Были описаны фундаментальные отличия нелинейных линовых волн от нелинейных объёмных и поверхностных волн, а также было проведено численное моделирование эволюции импульса клиновых волн, которое показало соответствие теории эксперименту.
7. Получены решения солитонного типа для клиновых волн. Рассмотрены взаимодействия солитонов и свойства солитонного распада.