《疊層複合材料聲波器件的彈性波理論和結構設計的研究》是依託蘭州大學，由郭永強擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：疊層複合材料聲波器件的彈性波理論和結構設計的研究
- 依託單位：蘭州大學
- 項目負責人：郭永強
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
疊層複合材料聲波器件是為滿足寬適用性、寬頻帶、高頻率、高靈敏度、高可靠性、多模式、多功能、低價格和低損耗等高性能要求而提出的新一代聲波器件。研究疊層複合材料聲波器件的彈性波理論和結構設計既對其工作性能的最佳化、開發成本的降低至關重要，也可豐富電磁器件理論和多場耦合波動力學的內容。本項目將針對疊層壓電、壓磁、磁電複合材料聲波器件，在考慮多場耦合和多波動模態耦合的基礎上，建立包含器件各組成部分的系統中彈性波傳播的動力學模型，基於回傳射線矩陣法發展精確求解波動行為的分析理論和方法，並開發相應的計算程式。另外，採用直接解析法討論簡單疊層複合材料聲波器件和單獨布拉格單元中各種波動模態的傳播/衰減機理和核心參數，探討各種核心參數和設計參數對波動行為的影響，據此尋求對疊層複合材料聲波器件和布拉格單元進行結構設計的原理和方法。本項目的開展將直接為高性能疊層複合材料聲波器件的開發提供理論指導和結構設計方法。
結題摘要
隨著信息和物聯網技術的迅猛發展，對聲波器件的寬適用性、寬頻帶、高頻率、高靈敏度、高可靠性、多模式、多功能、低價格和低損耗的要求也日益提高，疊層複合材料聲波器件有望滿足這些高性能要求。研究疊層複合材料聲波器件的彈性波理論和結構設計不僅能將該新一代聲波器件推向工程套用，而且會豐富結構的彈性波理論，具有重要的工程和科學意義。 本項目針對四種類別的疊層複合材料聲波器件，包括一般性疊層壓電、壓磁、磁電複合材料，周期性疊層智慧型複合材料（布拉格單元），周期性疊層均勻/梯度點陣材料和周期性彈性/智慧型多相桿、多相梁，從各種彈性波傳播的理論分析方法、波動模態的彌散特性和/或頻帶特徵及其參數依賴性、主被動調製因素和缺陷對各種彈性波傳播行為的影響等方面進行了系統的研究。首先，廣泛利用各種介質的線性彈性理論、周期結構的Floquet-Bloch原理，等效介質理論和超胞技術，將回傳射線矩陣法（MRRM）引入到各種疊層複合材料的SH波、P-SV波（Lamb波）和三維耦合模態彈性波傳播的分析中。其次，編制相應的通用電腦程式，結合算例得到各類疊層結構中各種彈性波的彌散曲線、頻帶曲線、傳輸曲線、穩態和瞬態回響等。最後，討論結構構型、幾何/材料參數、缺陷和邊界條件（包括主動調製）等因素對波動行為的影響。 研究發現：（1）推導的回傳射線矩陣法可考慮各種波動模態，能適用於所討論的全部結構形式，具有列式統一、無條件數值穩定、結果精確、求解高效、編程方便的優點，對各頻段分析都適用。（2）部分介電常數和/或磁導率為負值可引起某些彈性波模態的躍移現象，此時群速度和能量速度很大，群速度與相速度還可能會反向，這種新穎的波動現象或許能用於開發超快速回響器件。（3）各種結構中彈性波的彌散特性和頻帶特徵受各種被動或主動調製因素的影響明顯，且具有較為明確的規律，這可用於器件功能的最佳化。 本項目的研究成果能為高性能疊層複合材料聲波器件的開發和設計提供理論指導。
