《力電耦合激勵下聲波器件中界面和瞬態問題的研究》是依託西安交通大學，由李鵬擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：力電耦合激勵下聲波器件中界面和瞬態問題的研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：李鵬
- 依託單位：西安交通大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
表聲波器件和薄膜體聲波諧振器利用彈性波（聲波）在智慧型材料中的傳播來實現某些特殊功能，目前已經被廣泛套用到國防、電子、機械工業、通信等眾多領域。針對這兩類器件在使用過程中經常遇到的界面問題和瞬態回響，本項目從基本的彈性力學理論出發，結合材料學、電磁場理論、電路、信號處理等多學科知識，對其中的波動特性進行理論分析、數值模擬以及實驗驗證三方面研究。重點討論器件在應力場和電場激勵下界面的阻尼係數與能量分布的關係、非均勻弱界面的力電耦合特性，以及電壓、電流、激發頻率等參數的瞬態回響所帶來的影響；探索能夠全面描述壓電複合結構中界面特性的新的力學模型，實驗驗證薄膜體聲波諧振器中由非理想界面所激發出的新的高頻波，並揭示瞬態效應影響的物理機制。本項目旨在提升聲波器件的性能指標及其工作穩定性，從而為器件的開發、設計、評估以及健康檢測提供技術指導。
結題摘要
隨著薄膜與微納製造技術的發展，電子器件正向微型化、高密集復用、高頻率和低功耗的方向迅速發展。由於聲表面波器件和體聲波諧振器具有類似的結構和相似的工作原理，本項目針對這兩種器件在使用過程中的非理想連線問題和瞬態回響問題統一進行了研究。取得的重要研究成果包括： （1）構建了彈簧模型用以模擬壓電複合結構中膠層的力學特性，並藉助水平剪下波的激發過程，通過有限元仿真和實驗測量使理論模型得到了全方位地驗證，並套用此理論模型對系統進行了最佳化設計，針對不同PZT尺寸、不同的結構連線狀況合理地選擇激振頻率，以使回響信號達到最大； （2）基於Mindlin板理論探索出了用於模擬結構非理想連線特性的新的求解思路，揭示了由結構的非理想連線所導致的新的厚度-扭轉模態這一物理現象，並對這種新奇現象給予了合理的解釋； （3）獲得了用於描述聲波器件中驅動電信號的不穩定這一瞬態回響問題的理論解，並對激勵電壓的瞬間增大、激振頻率的瞬間漂移、電源的瞬間打開和關閉這三種典型的瞬態回響進行了詳細的分析，給出了系統恢復穩定狀態所需的臨界回響時長； （4）發展了同時計及表面效應、非局部理論和撓曲電效應的二維力-電-磁多物理場耦合的板理論，此理論具有普遍適用性，可以退化為經典的高階板理論，也可以用於單獨求解三種效應對器件工作性能的影響，提出了微納尺度下尺寸效應影響顯著所對應的聲波器件的臨界尺寸； （5）建立了用於描述具有幾何周期性的聲子晶體結構中水平剪下波傳播的理論解，使得光學和聲學中的“Rainbow Trapping”現象在彈性固體中成功實現，達到了能量分離的目的，為能量俘獲器的開放提供了更多的選擇空間。 本項目屬於基礎類研究，提出的考慮非理想連線情況下水平剪下波激發的物理模型在結構健康監測領域有重要的套用，有望替代傳統的Lamb波檢測技術；進行的小尺度下聲波器件工作性能的研究是目前學術界討論的熱點，提出的分析模型為器件的小型化提供了重要的理論工具。
