高性能表声波器件理论设计中的几个力学问题研究

以具有高的机电耦合系数，低的表面波穿透深度（至少与波长处于同一量级），高的灵敏度，频率稳定性好的高性能表声波器件的理论设计为目标，在必要的实验研究的基础上，综合采用理论分析和数值求解技术，建立考虑压电材料高阶材料常数的含初应力压电层状结构耦合波动问题的数学模型，深入揭示初应力对功能材料层状结构机械能与电能转换及耦合关系的影响规律。借助于特殊功能材料多场耦合的特性、层状结构覆盖层/基底材料组合的可选择性以及梯度材料参数的可设计性，深入探索具有特殊传播模态的表面声波特性。从表面声波激励的角度出发，研究在不同外界激励作用下功能材料层状结构中表声波的响应特性，提出反映不同激励的表面波表征技术以及实现对不同激励具有识别功能的"智能"传感层状结构理论优化设计，为进一步将研究结果应用于高性能表声波器件设计提供理论支持。

项目研究以具有高的机电耦合系数，小的表面波穿透深度（至少与波长处于同一量级），高的灵敏度，频率稳定性好的高性能表声波器件的理论设计为目标，结合必要的实验研究，综合采用解析分析和数值求解技术，建立了考虑压电层状结构非理想连接界面影响的剪切-迟滞模型、弹簧模型和中间胶层模型，比较了不同模型应用于表声波器件理论设计的优劣，指出力学非理想连接对表声波器件性能的影响要远大于电学非理想连接的影响；借助于梯度材料参数的可设计性，梯度功能材料半空间中也可以传播横向剪切Love波，且绝大部分能量集中在半空间表面附近；功能梯度压电压磁半空间中传播的B-G波可以通过选取不同的梯度变化模式使B-G波的机电耦合系数达到很高的值，而机械穿透深度很小，能量主要集中在压电压磁半空间的表面；发展了应用于压电功能梯度材料中表面波特性求解的构造简单、计算精度高的幂级数方法，研究了功能梯度材料板中Lamb波的弥散特性，研究了功能梯度材料板、功能梯度压电材料板、功能梯度压电-压磁材料板中Lamb波的截止频率特性，可为梯度材料的无损检测以及高性能表面声波器件的力学设计提供理论依据；对于AT切向石英谐振器当厚度方向具有双曲形式变化情况下的厚度-剪切振动特性而言，该型谐振器可支持有限个能陷模态，且能陷现象表现显著，为应用于传感的高性能声波谐振器的力学设计提供了依据。项目研究深入揭示了功能材料层状结构中机械能与电能转换及耦合关系的影响规律,得出了高性能表声波器件理论设计的若干有益结论。项目研究周期内共在国际力学及物理类学术期刊上发表学术论文 20 篇，其中SCI收录论文 17 篇，圆满完成了预定研究任务，达到了预期研究目标。