In the present work, nonlinearities in temperature
compensating (TC) SAW devices are investigated. The materials
used are LiNbO3-rot128YX as the substrate and Copper electrodes covered with a SiO2-layer as the compensating layer.
In order to understand the role of these materials for the
nonlinearities in such acoustic devices, a FEM simulation model
in combination with a perturbation approach [1] is applied.
The nonlinear tensor data of the different materials involved
in TC-SAW devices have been taken from literature, but were
partially modified to fit experimental data by introducing scaling factors. An effective nonlinearity constant is determined
by comparison of nonlinear P-matrix simulations to IMD3
measurements of test filters. By employing these constants in
nonlinear periodic P-matrix simulations a direct comparison to
nonlinear periodic FEM-simulations yields the scaling factors for
the material used. Thus, the contribution of different materials
to the nonlinear behavior of TC-SAW devices is obtained and
the role of metal electrodes is discussed in detail
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.
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.