ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. ISSN 1684-1719. 2021. № 9
Оглавление выпускаТекст статьи (pdf)
DOI: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.9.1
УДК: 537.874; 537.624
НЕЛИНЕЙНОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ ГИПЕРЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ В ФЕРРИТОВОЙ ПЛАСТИНЕ В УСЛОВИЯХ КОМБИНИРОВАННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ДВУХ ЧАСТОТАХ. ЧАСТЬ 1. РЕЗОНАНС НА РАЗНОСТНОЙ ЧАСТОТЕ
В. С. Власов1, Д. А. Плешев1, В. Г. Шавров2, В. И. Щеглов2
1 Сыктывкарский государственный университет им. П. Сорокина,
167001, Сыктывкар, Октябрьский пр-т, 55
2 Институт радиотехники и электроники им В.А.Котельникова РАН,
125009, Москва, ул. Моховая, 11-7
Статья поступила в редакцию 24 августа 2021 г.
Аннотация. Рассмотрена задача о нелинейном возбуждении гиперзвуковых колебаний в ферритовой пластине в условиях комбинированного воздействия на двух частотах. В качестве предварительной задачи выполнено рассмотрение магнитных колебаний при двухчастотном возбуждении. Показана возможность описания вынужденных линейных колебаний на основе одного неоднородного линейного уравнения второго порядка с произвольным возбуждением. Получено аналитическое решение задачи о возбуждении осциллятора двумя сигналами, частоты которых отстоят вверх и вниз от центральной на одну и ту же частоту. Показана эквивалентность представления магнитных колебаний в линейном режиме и модельных колебаний на основе осциллятора. Установлено, что в общем случае колебания имеют вид биений, частота огибающей которых соответствует разности между частотами возбуждения. Рассмотрена полная постановка задачи о возбуждении нелинейных магнитоупругих колебаний в нормально намагниченной ферритовой пластине при двухчастотном воздействии. Установлено, что в условиях сильной нелинейности при соответствии собственного упругого резонанса пластины разностной частоте, возбуждаются интенсивные упругие колебания. Обнаружено нелинейное возбуждения интенсивных нерезонансных колебаний, имеющих место вплоть до случая большого упругого затухания. Показано, что нерезонансные колебания обусловлены именно двухчастотным характером возбуждения. Отмечено, что амплитуда нерезонансных колебаний при увеличении толщины пластины также увеличивается. При малом уровне возбуждения закон увеличения является линейным, при среднем – квадратичным, а при большом – снова приближается к линейному с насыщением и нестационарными скачками. Рассмотрен характер возбуждения в условиях резонанса на разностной частоте. Отмечено, что такой резонанс имеет ярко выраженный нелинейный характер, так как возникает только при достаточно высоком уровне возбуждения. Показано, что дальнейший рост амплитуды резонанса по мере увеличения уровня возбуждения происходит по закону, близкому к квадратичному, после чего при достижении возбуждением определенного уровня насыщается и далее остается постоянным. Отмечено определенное рассогласование проявления нелинейности по магнитной и упругой системам, для описания которого предложена эмпирическая квадратичная зависимость. Приведены некоторые замечания, касающиеся дальнейшего развития работы.
Ключевые слова: магнитострикционный преобразователь, нелинейные колебания, магнитоупругий резонанс.
Abstract. The task about nonlinear excitation of hypersound vibrations in ferrite plate in conditions of combine influence in two frequencies is investigated. As a preliminary task the investigation of only magnetic vibrations by two-frequency excitation is carried out. The possibility of description of forced linear vibrations on the basis of single nonuniform linear second order equation with arbitrary excitation is shown. It is found the analytical solution of task about excitation of oscillator by two signals which frequencies are distinguishes up and down from central frequency on the same frequency interval. It is shown the equivalency of representation of magnetic vibrations in linear regime and model vibrations on the basis of oscillator. It is found that in the general case the vibrations have view as beating which rounding frequency is equal to difference between excitation frequencies. The whole positing of task about excitation of nonlinear magnetoelastic vibrations in normal magnetized ferrite plate by two-frequency excitation is proposed. It is found that in conditions of large nonlinearity when the own elastic resonance of plate is equal to the difference frequency the powerful elastic vibrations are excited. It is found the nonlinear excitation of powerful non-resonance vibrations which take place also in the case of large elastic dissipation. It is shown that the non-resonance vibrations are determined precisely two-frequency character of excitation. It is found that the amplitude of non-resonance vibrations by increasing of plate thickness also is increased. By the small level of excitation, the low of increasing is linear, by middle – quadratic, by large – again approaches to linear with saturation and non-permanent sudden jumps. The character of excitation in conditions of resonance on difference frequency is investigated. It is shown that this resonance has powerful determined nonlinear character because it arises only by enough large excitation level. It is shown that the further increasing of resonance amplitude by the increasing the excitation level is realized by the low which is near to quadratic. But after this increasing when excitation level reaches determined value the resonance amplitude is saturated and remains constant. It is drawn attention to some discrepancy between the realization on nonlinearity by magnetic and elastic systems. For the de-scription of this discrepancy the empirical quadratic dependence is proposed. In brief is proposed some remarks about further development of work.
Key words: magnetostriction transducer, nonlinear vibrations, magnetoelastic resonance.
Литература
1. Голямина И.П. Магнитострикционный преобразователь. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Москва, Советская энциклопедия. 1979. С.196-200.
2. Kikuchi E. Ultra-sound converters. Moscow, Mir. 1972.
3. Голямина И.П. Магнитострикционные излучатели из ферритов. Физика и техника мощного ультразвука. Кн.1. Источники мощного ультразвука. Москва, Наука. 1967.
4. Штраусс В. Магнитоупругие свойства иттриевого феррита-граната. Физическая акустика. Т.4Б. Применения физической акустики в квантовой физике и физике твердого тела. Москва, Мир. 1970. С.241-316.
5. Власов В.С., Котов Л.Н., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Нелинейное возбуждение гиперзвука в ферритовой пластине при ферромагнитном резонансе. Радиотехника и электроника. 2009. Т.54. №7. С.863.
6. Власов В.С., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Нелинейное возбуждение гиперзвука в двухслойной ферритовой структуре. Журнал радиоэлектроники. 2013. №2.
7. Власов В.С., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Комбинационное возбуждение гиперзвука в двухслойной ферритовой структуре. Сборник трудов XXI Международной конференции «Электромагнитное поле и материалы». Москва, НИУ МЭИ. 2013. С.164.
8. Власов В.С., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Нелинейное возбуждение гиперзвука в двухслойной ферритовой структуре при ферромагнитном резонансе. Радиотехника и электроника. 2014. Т.59. №5. С.482.
9. Comstock R.L., LeCraw R.C. Generation of microwave elastic vibrations in a disk by ferromagnetic resonance. Journal of Applied Physics. 1963. V.34. №10. P.3022-3027.
10. Ле-Кроу Р., Комсток Р. Магнитоупругие взаимодействия в ферромагнитных диэлектриках. Физическая акустика. Т.3Б. Динамика решетки. Москва, Мир. 1968. С.156.
Eshbach J.R. Spin-wave propagation and the magnetoelastic interaction in yttrium iron garnet. Journal of Applied Physics. 1963. V.34. №4. P.1298.
12. Eggers F.G., Strauss W. A UHF delay line using single-crystal yttrium iron garnet. Journal of Applied Physics. 1963. V.34. №4. P.1180.
13. Schlömann E. Generation of spin waves in nonuniform magnetic fields. I. Conversion of electromagnetic power into spin-wave power and vice versa. Journal of Applied Physics. 1964. V.35. №1. P.159.
14. Schlömann E., Joseph R.I. Generation of spin waves in nonuniform dc magnetic fields. II. Calculation of the coupling length. Journal of Applied Physics. 1964. V.35. №1. P.167.
15. Schlömann E., Joseph R.I. Generation of spin waves in nonuniform magnetic fields. III. Magneto-elastic interaction. Journal of Applied Physics. 1964. V.35. №8. P.2382.
16. Schlömann E., Joseph R.I., Kohane T. Generation of spin waves in nonuniform magnetic fields, with application to magnetic delay line. Proceedings of the IEEE. 1965. V.53. №10. P.1495.
17. Dreher L., Weiler M., Pernpeintner M., Huebl H., Gross R., Brandt M.S., Goennenwein S.T.B. Surface acoustic wave driven ferromagnetic resonance in nickel thin films: theory and experiment. Physical Review B. 2012. V.86. №13. P.134415(13).
18. Bigot J.V., Vomir M. Ultrafast magnetization dynamics of nanostructures. Annalen der Physik.. 2013. V.525. №1-2. P.2-30.
19. Thevenard L., Gourdon C., Prieur J.Y., Von Bardeleben H.J., Vincent S., Becerra L., Largeau L., Duquesne J.Y. Surface-acoustic-wave-driven ferromagnetic resonance in (Ga,Mn)(As,P) epilayers. Physical Review B. 2014. V.90. №9. P.094401(8).
20. Ka Shen, Bauer G.E.W. Laser-induced spatiotemporal dynamics of magnetic films. Physical Review Letters. 2015. V.115. №19. P.197201(5).
21. Walowski J., Münzenberg M. Perspective: Ultrafast magnetism and THz spintronics. Journal of Applied Physics. 2016. V.120. №14. P.140901(16).Chernov A.I., Kozhaev M.A., Vetoshko P.M., Zvezdin A.K., Belotelov V.I., Dodonov D.V., Prokopov A.R., Shumilov A.G., Shaposhnikov A.N., Berzhanskii V.N. Local probing of magnetic films by optical excitation of magnetostatic waves. Physics of the Solid State. 2016. V.58. №6. P.1128.22. Чернов А.И., Кожаев М.А., Ветошко П.М., Додонов Д.В., Прокопов А.Р., Шумилов А.Г., Шапошников А.Н., Бержанский В.Н., Звездин А.К., Белотелов В.И. Локальное зондирование магнитных пленок с помощью оптического возбуждения магнитостатических волн. ФТТ. 2016. Т.58. №6. С.1093.
23. Chang C.L., Tamming R.R., Broomhall T.J., Janusonis J., Fry P.W., Tobey R.I., Hayward T.J. Selective excitation of localized spin-wave modes by optically pumped surface acoustic waves. Phys. Rev. Applied. 2018. V.10. №3. P.034068(8).
24. Kim S.-K. Micromagnetic computer simulations of spin waves in nanometer-scale patterned magnetic elements. J. Phys. D: Appl. Phys. 2010. V.43. P.264004(25).
25. Власов В.С., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Нелинейные гиперзвуковые колебания магнитострикционного преобразователя на частотах, кратных частоте возбуждения. Часть 1. Деление частоты возбуждения. Журнал радиоэлектроники. 2015. №9. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/sep15/4/text.pdf.
26. Власов В.С., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Нелинейные гиперзвуковые колебания магнитострикционного преобразователя на частотах, кратных частоте возбуждения. Часть 2. Умножение частоты возбуждения. Журнал радиоэлектроники. 2015. №10. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/oct15/1/text.pdf.
27. Гуревич А.Г. Ферриты на сверхвысоких частотах. Москва, Гос.Изд.физ.-мат.лит. 1960.
28. Джаффе Д., Качерис Дж., Караянис Н. Ферритовый детектор СВЧ. В сб. статей: Ферриты в нелинейных сверхвысокочастотных устройствах. Москва, ИЛ. 1961. С.23.
29. Simon J.C., Broussaud G. Detection with microwave ferrites. Compt. Rend. Acad. Sci. 1954. V. 238. №24. P.2294.
30. Власов В.С., Плешев Д.А, Шавров В.Г., Щеглов В.И. Нелинейное детектирование магнитоупругих колебаний в режиме амплитудной модуляции. Журнал радиоэлектроники. 2019. №3. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/mar19/7/text.pdf (In Russian).
31. Власов В.С., Плешев Д.А, Шавров В.Г., Щеглов В.И. Детектирование частотно-модулированного СВЧ сигнала с помощью магнитострикционного преобразователя. Журнал радиоэлектроники. 2020. №7. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/jul20/3/text.pdf.
32. Плешев Д.А., Котов Л.Н., Власов В.С., Щеглов В.И. Преобразование частоты при акустическом резонансе в ферритах. Сыктывкар, ИПО СыктГУ. 2019.
33. Харкевич А.А. Основы радиотехники. Москва, Физматлит. 2007.
34. Степанов В.В. Курс дифференциальных уравнений. Москва, Ленинград, ОГИЗ. Гос. изд. техн.-теор. лит. 1945.
35. Эльсгольц Л.Э. Дифференциальные уравнения и вариационное исчисление. Москва, Наука. 1965.
36. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. Москва, Наука. 1973.
37. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Москва, Наука. 1973.
Для цитирования:
Власов В.С., Плешев Д.А., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Нелинейное возбуждение гиперзвуковых колебаний в ферритовой пластине в условиях комбинированного воздействия на двух частотах. Часть 1. Резонанс на разностной частоте. Журнал радиоэлектроники [электронный журнал]. 2021. №9. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2021.9.1