Возбуждение и фокусировка упругих волн пьезоэлектрическим преобразователем с упругим метаматериалом с периодическими массивами пустот
Автор: Павел Евгеньевич Усов
Соавторы: Голуб М.В., Фоменко С.И., Еремин А.А.
Организация: Кубанский государственный университет
Рис. Пример устройства предлагаемой конфигурации ультразвукового преобразователя с пьезоэлектрическим актуатором и прослойкой из упругого метаматериала.
В целях неразрушающего контроля металлических и композитных структур широко используют ультразвуковые методы, физической основой которых являются упругие волны [1]. Общим способом возбуждения волнового движения в материале является применение пьезопреобразователей различных типов.
Упругие метаматериалы – композитные материалы с искусственной структурой, созданные для обеспечения необычных механических волновых свойств (блокирование, конвертация и фокусировка волн, создание акустических линз, преобразование энергии и т.п.). Так как упругие метаматериалы могут использоваться для управления распространением упругих волн, их применение при создании преобразователей и датчиков имеет значительный потенциал [2].
Целью данного исследования является рассмотрение применения упругих метаматериалов для обеспечения улучшенных характеристик наклонных ультразвуковых преобразователей. Рассматриваемые преобразователи устроены следующим образом (см. Рис.).
Упругий метаматериал состоит из заданного числа ячеек, каждая из которых состоит из двух упругих слоёв. В каждой из ячеек на границе раздела слоёв имеется массив трещиноподобных пустот заданной ширины с заданным расстоянием друг от друга. Упругие волны возбуждаются пьезоактуатором, расположенным на верхней поверхности промежуточного блока из упругого метаматериала. Численные эксперименты показали, что существуют частотные диапазоны, в которых величина волновой энергии, фокусируемой в среду, значительно больше, чем в случае пьезоактуатора без вставки из упругого метаматериала. Также оказалось, что периодический массив пустот в гексагональной решётке может сильно увеличивать амплитуды колебаний в подложке даже по сравнению с случаем упругого метаматериала без пустот в запрещённой зоне [3].
1. Mueller I., Fritzen C.P. Inspection of Piezoceramic Transducers Used for Structural Health Monitoring // Materials. 2017. Vol. 10. № 1. Art. 71.
2. Liao G., Luan C., Wang Z., Liu J., Yao X., Fu J. Acoustic metamaterials: a review of theories, structures, fabrication approaches, and applications // Advanced Materials Technologies. 2021. Vol. 6. № 5. Art. 2000787.
3. Golub M.V., Fomenko S.I., Usov P.E., Eremin A.A. Elastic Waves Excitation and Focusing by a Piezoelectric Transducer with Intermediate Layered Elastic Metamaterials with and without Periodic Arrays of Interfacial Voids // Sensors. 2023. Vol. 23. № 24. Art. 9747.
