压电晶体半空间弹性波场的表面激发的分析(Ⅱ)——广义Green函数

由于相应于压电晶体半空间弹性波场表面激发的广义Green函数是与激发伏况无关而仅取决于材料参数和取向,所以它们能够预先独立地给予研究。 可以证明广义Green函数可以写成分别对应表面波、体波和静电效应三部分之和。 我们也证明广义Green函数的表面波部分和远场体波部分可以有解析表达式。于是被激发的弹性波场中表面波场和体波远场可以严格估计。 最后作为例子,我们给出了6mm类晶体的广义Green函数。     

压电晶体表面激发的二维声表面波Green函数

最近,我们研究了在压电晶体半空间表面激发的二维广义Green函数。在本文将仔细讨论广义Green函数的表面波部分。用稳相法给出声表面波远场渐近解。但是由于这样的渐近解在接近慢度曲线的拐点处失效,我们发展了用变型Airy函数表示的普适渐近解,从而解决了在拐点附近的解的衔接问题。对于Y切LINbO_3,进行了声表面波Green函数分量和功率流密度的数值计算,结果表明在Y切LiNbO_3的Z方向上出现聚焦现象.     

压电晶体半空间弹性波场的表面激发的分析(Ⅰ)——弹性波场表面激发的一般公式

本文发展了在压电晶体半空间,对于自由表面和金属化表面两种情况下,弹性波场表面激发的普适理论。可以证明广义弹性波场U是广义Green函数G和广义力T的卷积。 U=GT这里符号表示点乘卷积。 广义Green函数与激发条件无关,而只取决于材料参数和取向。 对于压电晶体,不仅表面力源,而且表面电源分布也能激发弹性波场。我们给出了对于力源和电源分布的广义力完整表示。特别对自由表面上电源分布,它可由表面法向电位移不连续,也可由切向电场不连续来构成。     

声表面波在压电晶体表面上的聚焦特性

研究了压电晶体表面上圆弧形叉指换能器产生的声表面波的聚焦现象。用作者提出的压电晶体表面激发的严格矢量场理论来计算会聚的表面波声场,取代了比较流行的源于光学的标量角谱理论。理论分析表明介质的各向异性对声束的会聚特性有很大的影响,如焦长和焦点附近声场的对称性。在实验中可以用光学暗场法来观察声表面波场的会聚。尽管各向异性介质或各向异性压电晶体上表面波声场的会聚都非常复杂,实验的结果和理论分析比较一致。     

表面掠射体波(SSBW)

叉指换能器不仅是高效率的表面波换能器,而且往往也是有效的体波换能器。对表面波器件来说,这些体波将带来杂散影响,需加以抑制。与此相反,“表面掠射体波”(以下简称SSBW)器件,不是利用叉指激发的表面波,而正是利用它激发的体波来完成信号处理功能的。 这种体波由叉指换能器激发,形成紧沿表面传播的波束,其传播矢量几乎完全平行压电晶体表面,并满足表面边界条件。它的传播速度V_s与衰减基本上同于无限大介质中相同方向的体波。其同步频率满足下列关系     

BG波在6mm类晶体表面沟槽上的散射

利用表面微扰技术,把6mm类晶体表面沟槽上BG波的散射问题化成一个广义Lamb问题。这时在晶体表面不仅存在一个等效的力源分布,而且存在一个等效的电源分布。我们对金属化表面和自由表面,给出了反射的表面波和散射的体波的解析解,并讨论了它的特性。 由所得结果表明,对于强机电耦合和高介电性材料,如PZT压电陶瓷,对金属化表面反射系数很大,而对自由表面则反射系数很小。     

压电晶体表面有限孔径源所产生声表面波的衍射场

到目前为止,声表面波有限孔径叉指换能器产生的衍射场一般是用角谱理论来进行唯象分析的,该标量理论的主要近似是忽略了问题的矢量性质,象在光学中那样,假定波场可以用一个标量来描述。在本文中,利用我们发展起来的压电晶体中弹性波场表面激发的严格矢量理论,给出了声表面波衍射场的全面严格的表叙。作为例子,对YZ-LiNbO_3进行了数值计算,所得结果跟角谱理论作了比较讨论。     

短路金属栅对正入射瑞利波的散射

由压电晶体动力学方程等出发,用电表面边界微扰技术得到了入射声表面波在栅区激发的微扰电场及电荷分布;将这些电荷作为表面激发源,用积分变换得到了包括散射声表面波和体波的一般积分解。数值计算了YZ-LiNbO_3,表面上短路金属栅对正入射瑞利波散射的声表面波,给出了其反射系数,前向散射系数等与栅条宽度的关系;进而导出了声表面波经过金属栅时的相速变化。理论计算与实验测量结果符合较好。     

声表面波机电耦合系数与短路金属栅阵的变分分析

本文给出一个变分表达式,它适用于自由表面和金属化表面上声表面波传播与散射分析。然后应用此表达式导出压电晶体材料声表面波机电耦合系数K~2作为材料常数函数的近似解析表达式。并进一步求解了短路金属栅阵在同步频率附近的波表面反射系数,给出其作为基底与金属膜材料常数和金属条几何参数函数的解析表达。结果特别指出了导致上述效应的各种物理机制间的相互关系。数值结果与实验结果相符,变分处理简化了数学过程而突出了其中物理规律。     

微波激发下非线性磁表面波传播特性

研究了微波激发下非线性反铁磁晶体与线性铁磁晶体交界面上transverseelectric(缩写为TE)表面波的传播特性.用反函数形式给出了反铁磁晶体中TE表面波磁场的精确解.分析了小功率和大功率传输时的场分布特征.求得了TE表面波的色散方程,进而讨论了系统的微波频率特性.分析表明,非线性TE表面波存在频率通带和禁带,其带宽是功率的函数,通过调节导波功率可以有效地实现通带和禁带之间的转换 关键词： 反铁磁晶体 铁磁晶体 非线性表面波     

声表面波介质表面受力条件下的波速变化研究

为了计算力负载直接作用在声表面波传播表面时波速的变化特性,通过有效材料系数将负载引入,并用广义Green函数计算声速,得到了数值计算的结果,并用声表面波谐振器进行了实验.实验结果表明,将力负载直接加载在声表面波的传播表面时,波速变化量和力负载大小近似为线性关系,该加载方式下,实验中声表面波谐振器的谐振频率对外加质量负载有较高的灵敏度,可达1900 Hz/g.     

声表面波在厚金属栅阵中的耦合模参数

提出了一种研究声表面波在压电晶体厚金属栅阵中传播特性的理论方法。将有限元和声表面波在周期栅阵中的变分原理分析方法相结合,在陈东培和H.A.Haus理论基础上、用有限元分析金属短路栅对声表面波传输特性的影响,将力学负载贡献的耦合模参数用有限元矩阵表示,使其适用于声表面波在厚金属或任意形状栅条中传输情况,给出了具体理论分析方法和相应的理论表达式。最后,具体研究了几种压电晶体上金、铝或银栅阵中声表面波的传输特性,通过数值计算给出了声表面波的耦合模参数。      

SH型声表面波在栅阵中传播特性的变分原理研究

提出了一个研究SH型声表面波在金属短路栅中传播时频散特性的理论方法,即根据陈东培和H．A．Haus理论,利用压电晶体中的变分原理和SH型表面波COM模型分析了栅阵中SH型声表面波的传播特性。该方法的最大优点是不需要使用复杂的Green’s function,其理论分析结果与Hashimoto有限元程序运算结果相一致。Hashimoto的程序在计算ST-90°X石英等一些晶体切向上短路栅的频散关系时是无解的。而这个新方法能很好的计算这些晶体上短路栅的频散关系。     

用V(z)曲线分析压电陶瓷表面的声学特性

本文利用超声显微镜技术中的V(z)曲线,无损伤地测量了压电陶瓷表面上不同点声表面波(瑞利波)速度,定量地分析了陶瓷的一致性。同时又根据V(z)曲线中周期的起伏,定性地给出了表面颗粒均匀性及缺陷存在的可能性。文中给出了几种不同陶瓷材料的实验数据及分析结果,并简单地描述了V(z)曲线的理论与声表面波(瑞利波)速度的计算公式、测试方法。     

由于表面粗糙引起的激光声表面波色散的实验和理论研究

表面粗糙是材料制造过程中必有的副产物, 粗糙表面会引起其中传播的声表面波的速度发生变化. 在利用激光声表面波对材料性质进行评估时, 常用宽带的激光声表面波速度频散特性对材料性质进行反演. 为了研究表面粗糙度是否能作为反演的特征参数之一, 本文建立了激光在表面粗糙样品中激发声表面波、聚偏氟乙烯换能器宽带接收声表面波的实验装置来研究不同粗糙度表面对声表面波速度的影响; 理论上建立了激光在粗糙表面中激发声表面波的计算模型, 利用有限元法得到声表面波的时域特征, 并进一步得到声表面波的速度色散曲线, 理论结果和实验结果能很好地拟合. 这为利用激光声表面波对表面粗糙的评估提供理论和实验依据. 关键词： 表面粗糙 激光声表面波 速度色散 聚偏氟乙烯传感器 有限元法     

光子晶体增强石墨烯THz吸收

研究了光子晶体表面石墨烯在应力赝磁场作用下的太赫兹(THz)吸收.由于应力赝磁场的存在使得石墨烯中电子出现朗道能级并对THz波呈现出一个较强的吸收.而光子晶体和石墨烯形成了表面微腔结构使得石墨烯对THz波的吸收比无光子晶体时增强了将近四倍.且可以通过改变应力赝磁场和间隔层厚度来调控石墨烯的THz吸收.     

喷雾冷却表面瞬态热流密度计算方法研究

瞬态喷雾冷却过程中,表面热流密度是衡量表面冷却效果的重要参数。本文以环氧树脂为冷却基体,分别采用直接与间接两种方式测量冷却表面瞬态温度,通过构建新的传递函数,将Green函数法成功拓展至半无限大多层平板导热反问题的热流密度计算。对比分析了Duhamel定理、顺序函数法(SFSM)与Green函数法在不同测温方法下计算表面瞬态热流密度的有效性与适用性,结果表明,在表面温度直接测量方式下,三种方法均能较准确计算出表面瞬态热流密度。在间接测温方式下,Duhamel法忽略了测点和表面之间材料的散热影响,因此无法准确计算出瞬态表面热流密度,SFSM在温度快速变化阶段计算结果有一定失真,而利用Green函数法求解表面热流密度最为准确。     

二维声表面波压电声子晶体在射频段的时域有限差分法

对二维声表面波压电声子晶体在射频段的带隙特性,进行了时域有限差分法(FDTD)理论推导和计算,并提出实验方法对比验证。FDTD计算模型考虑了压电效应,引入周期边界条件以节省计算空间和时间,采用完全匹配层以解决声表面波在截断边界处的虚拟反射问题。实验上分别设计有/无二维压电声子晶体的两种宽频带延迟线结构,测量两种延迟线的传输系数取差值,得到了二维压电声子晶体的带隙;其中通过时域加窗函数保留一次传输信号,进行干扰信号的去除。以铝/128°YX-LiNbO3二维压电声子晶体为例,该FDTD方法、商业有限元软件COMSOL、实验方法均得到了100500 MHz射频段内的多个带隙,三种带隙对比证明了FDTD计算带隙与实验测量带隙一致,比COMSOL计算的计算带隙精度更高。      

利用直接激发Rayleigh表面波的方法测量材料的声学非线性系数

提出了利用直接激发Rayleigh表面波的方法测量材料的声学非线性系数.采用专门的信号源,将压电传感器安装在试件边缘直接激发Rayleigh表面波,利用激光干涉仪测量系统采集试件表面的Rayleigh波信号.对采集到的Rayleigh波信号进行FFT变换,得到Rayleigh波信号中所包含的基频和高频成分,并据此进一步确定材料的声学非线性系数.对铝合金材料AA2024和AA6061的试验测量与分析结果表明,这种利用将压电传感器直接安装在试件边缘激发Rayleigh表面波的方法能够有效、准确地测量材料的声学非线性系数,可以为材料和结构早期力学性能退化的无损检测和评价提供一种有效的途径.     

旋磁晶体界面上的非线性TM表面波

研究微波激发下非线性反铁磁晶体与线性铁磁晶体交界面上TM(TransverseMagnetic)波的非线性行为.理论分析表明,非线性TM表面波存在频率通带和禁带,通过调节导波功率可以实现通带和禁带之间的转换.揭示了该导波系统可以激发后向表面波,其群速度与相速度反向.前向表面波和后向表面波的通带宽度一般可达到10GHz左右 关键词：