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A simple model is introduced that describes the interaction of surface acoustic waves (SAWs) with a 2D periodic array of objects on the surface that give rise to internal resonances. Such objects may be high-aspect ratio structures like micro-pillars fabricated of a material different from that of the substrate. The model allows for an approximate determination of the band structure for the acoustic modes in such systems. Results are presented for the dependence on structural parameters of a total bandgap in the non-radiative regime of a semi-infinite substrate, and it is shown how the frequency and radiation damping of vibrational modes can be determined that are associated with defects in the periodic 2D array.
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.
Elastic constants of components are usually determined by tensile tests in combination with ultrasonic experiments. However, these properties may change due to e.g. mechanical treatments or service conditions during their lifetime. Knowledge of the actual material parameters is key to the determination of quantities like residual stresses present in the medium. In this work the acoustic nonlinearity parameter (ANP) for surface acoustic waves is examined through the derivation of an evolution equation for the amplitude of the second harmonic. Given a certain depth profile of the third-order elastic constants, the dependence of the ANP with respect to the input frequency is determined and on the basis of these results, an appropriate inversion method is developed. This method is intended for the extraction of the depth dependence of the third-order elastic constants of the material from second-harmonic generation and guided wave mixing experiments, assuming that the change in the linear Rayleigh wave velocity is small. The latter assumption is supported by a 3D-FEM model study of a medium with randomly distributed microcracks as well as theoretical works on this topic in the literature.
Zerstörungsfreie Verfahren zur Messung von Eigenspannungen erfordern, abhängig vom gewählten Verfahren, die Kenntnis gewisser Kopplungskonstanten. Im Falle von Ultraschallmessverfahren sind das neben den elastischen Konstanten zweiter Ordnung (SOEC) vor allem die Konstanten dritter Ordnung (TOEC). Elastische Konstanten fester, metallischer Bauteile werden in der Regel in Zugversuchen bestimmt. Zur Ermittlung der TOEC werden diese mit Ultraschallmessmethoden kombiniert. Durch äußere Einflüsse, wie etwa mechanische Nachbehandlungen der zu untersuchenden Bauteile können sich diese Konstanten jedoch ändern und müssen folglich direkt am veränderten Material bestimmt werden. Mithilfe von Simulationen wird die Ausbreitung der zweiten Harmonischen und der nichtlinear erzeugten Oberflächenwellen in Wellenmischexperimenten analysiert und der akustische Nichtlinearitätsparameter (ANP) bzw. der Kopplungsparameter aus der Amplitudenentwicklung berechnet. Insbesondere wird untersucht, welchen Einfluss ein gegebenes Tiefenprofil der TOEC auf den ANP hat (Vorwärtsproblem) und inwiefern sich aus den Messungen des ANP auf ein vorliegendes Tiefenprofil der TOEC schließen lässt (inverses Problem). Außerdem wird diskutiert, welchen Einfluss lokale Änderungen der SOEC auf den ANP haben können und wie groß diese Änderungen sein dürfen, um die TOEC dennoch bestimmen zu können. Die Untersuchungen hierzu wurden auf der Basis eines 3D-FEM Modells mit zufällig orientierten Mikrorissen durchgeführt. Die numerischen Rechnungen zeigen dabei auch eine gute Übereinstimmung mit einem aus der Literatur bekannten und für dieses Problem erweiterten, analytischen Modell. Neben der rissinduzierten Nichtlinearität kann bei diesem auch die Gitternichtlinearität berücksichtigt werden.
Nonlinear acoustic waves are considered that have displacements localized at the tip of an elastic wedge. The evolution equation governing their propagation is discussed and compared with its analogues pertaining to nonlinear acoustic surface and bulk waves. Solitary wave solutions of the evolution equation have been determined numerically for the cases of two rectangular edges which may be viewed as generated by splitting a half-space, consisting of crystalline silicon, into two quarter-spaces. For these two geometries, the kernel in the nonlinear terms of the evolution equation has been calculated from the second-order and third-order elastic constants of silicon, and weak dispersion due to tip truncation has been considered. Solitary pulse shapes have been computed and collisions of solitary pulses have been simulated for various relative speeds of the two collision partners. Collision scenarios for the two wedge geometries were found to differ considerably. Special attention is paid to the peculiar interaction of two initially identical solitary pulses.
Recently a P-matrix and COM formalism was presented, which predicts third order intermodulation (IMD3) and triple beat with good accuracy and needs only a single nonlinearity constant. This formalism describes frequency dependence correctly. In this work the dependence of this nonlinearity constant on metalization ratio is investigated for aluminum metalization on LiTaO 3 (YXl)/42°. By comparison to test devices the nonlinearity constant is shown to be largely independent of metalization ratio. The nonlinear effect, however, strongly depends on metalization ratio, which is well described by the model. The linearity of a duplexer is optimized by reduction of metalization ratio and redesign of Tx branch topology.
In this work a set of nonlinear coupled COM equations at interacting frequencies is derived on the basis of nonlinear electro-elasticity. The formalism is presented with the aim of describing intermodulation distortion of third-order (IMD3) and triple beat. The resulting COM equations are translated to the P-matrix formalism, where care is taken to obtain the correct frequency dependence. The scheme depends on two frequency-independent constants for an effective third-order nonlinearity. One of these two constants is negligibly small in the systems considered here. The P-matrix approach is applied to single filters and duplexers on LiTaO 3 (YXl)/42° operating in different frequency ranges. Both IMD3 and triple beat show good agreement with measurement.
Die Veränderungen in der Energieversorgung führen zu einer neuen Systemarchitektur der Stromversorgung, die nur durch einen massiven Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) bewältigt werden kann und meist als „Smart Grid“ bezeichnet wird. Während es bereits umfangreiche Forschungsarbeiten und Demonstrationsprojekte zu einzelnen technologischen Komponenten gibt, existieren noch wenige Überlegungen, in welchen technologischen Schritten eine Migration hin zu Smart Grids durchgeführt werden sollte, die sowohl betriebstechnisch zukunftssicher ist, als auch marktgetriebene Innovationen begünstigt. Der Beitrag veranschaulicht die Herleitung solcher Migrationspfade im Rahmen eines schrittweisen Vorgehens. Zunächst werden Zukunftsszenarien für das Jahr 2030 konstruiert, um die maßgeblichen, oft auch nichttechnischen Einflussfaktoren auf das Smart Grid zu identifizieren. Darauf aufbauend werden die wesentlichen IKT-bezogenen Technologiefelder und ihre Zuordnung zu den Domänen der Energiewirtschaft beschrieben. Für jedes Technologiefeld werden die in den nächsten zwei Jahrzehnten denkbaren Entwicklungsstufen ermittelt und deren Abhängigkeit untereinander analysiert. Die gemeinsame Betrachtung von Szenarien, der Entwicklungsstufen der Technologiefelder und deren Interdependenzen führen schließlich zu einer Roadmap, welche die Migrationspfade in das Smart Grid beschreiben. Es lassen sich drei Entwicklungsphasen erkennen: Die Konzeptionsphase, die Integrationsphase und die Fusionsphase. Die präsentierten Ergebnisse entstammen dem Projekt „Future Energy Grid – Migrationspfade ins Internet“, welches vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie im Rahmen des E-Energy-Programms (Förderkennzeichen 01ME10012A und 01ME10013) gefördert wurde.
In a recent paper it has been shown that the effective nonlinear constant which is used in a P-Matrix approach to describe third-order intermodulation (IMD3) in surface acoustic wave (SAW) devices can be obtained from finite element (FEM) calculations of a periodic cell using nonlinear tensor data [1]. In this paper we extend this FEM calculation and show that the IMD3 of an infinite periodic array of electrodes on a piezoelectric substrate can be directly simulated in the sagittal plane. This direct approach opens the way for a FEM based simulation of nonlinearities for finite and generalized structures avoiding the simplifications of phenomenological approaches.