電磁波與壓電陶瓷材料相互作用研究

《電磁波與壓電陶瓷材料相互作用研究》是依託同濟大學，由童美松擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：電磁波與壓電陶瓷材料相互作用研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：童美松
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

波與物質相互作用可能包含多個物理過程，取決於波與物質的特性。在電磁波與彈性介質的相互作用中，既包含電磁學過程又包含彈性力學過程並且相互耦合在一起。要精確描述和分析其中包含的物理過程，需要同時求解耦合在一起的電磁學和彈性力學方程。早期對這一問題的研究主要基於原始的偏微分方程且只局限於簡單問題的解析解和數值解。在近十多年中，該問題的研究一直沒有引起學術界重視，主要因為一般物質的彈性極弱，兩個過程的耦合基本可以忽略。然而現代高科技的發展，特別是納米電子產品的研發、對生物醫學成像品質的追求、大功率微波輻射的存在、以及壓電陶瓷感測器的廣泛使用等，已越來越多地要求對電磁波與彈性介質的相互作用有更精確的分析，以設計出更高品質的產品。在本項目中，我們以壓電陶瓷材料為目標，使用積分方程法推導和求解耦合積分方程，研究強電磁環境下它的形變規律及射頻信號或聲信號激勵下它的輻射特性，為探索相關天線設計提供理論基礎。

結題摘要

本項目主要研究電磁波與壓電陶瓷材料的相互作用機理，通過聯合求解包含電磁學與彈性力學過程的多物理耦合控制方程，弄清壓電陶瓷材料的形變規律和電磁輻射特性，為最佳化設計壓電陶瓷產品提供支持。主要研究內容包括：（1）如何發展描述電磁波與彈性介質相互作用的耦合積分方程；（2）如何發展相應的高效穩定算法以求解上述耦合積分方程；（3）基於上述求解方法，以典型三維壓電陶瓷物體為目標，研究和分析壓電陶瓷材料在強電磁環境中的形變規律，同時以聲信號作為激勵分析其電磁輻射特性；（4）如何設計相應的實驗來驗證仿真結果的準確性和可靠性。項目組成員按照研究計畫對上述研究內容進行了仔細研究，順利完成了預期研究目標，取得了多項重要成果，包括：（1）基於原始偏微分形式的麥克斯韋方程和彈性波方程首次推導出了耦合積分方程；（2）針對耦合積分方程發展了新穎的數值求解方法，即矩量法與Nyström方案相結合的混合方法以及相應的疊代求解方案，同時針對彈性積分方程中的超奇異性導出了新穎有效的處理方法；（3）基於求解方法和算法發展了計算機仿真軟體用於分析預測壓電陶瓷材料在強電磁環境中的形變規律，以及在聲波激勵下的電磁輻射特性，為設計壓電陶瓷天線提供理論基礎；（4）通過實驗的方法驗證了上述仿真軟體的有效性和可靠性。以上重要結果中包含的關鍵數據有：（1）交替疊代求解電磁積分方程與彈性積分方程的收斂性數據；（2）彈性積分方程超奇異核處理方法的精度數據；（3）強電磁環境下壓電陶瓷材料的形變規律數據；（4）實驗驗證仿真軟體的誤差數據。項目成果的科學意義在於弄清了電磁波與彈性介質相互作用機理，證明了所獲公式和方法的有效性與可靠性，發展了多物理場耦合理論和相應的數值分析方法。項目成果的套用前景包括：（1）將公式和方法轉化成專門的仿真工具用於分析預測壓電陶瓷材料的電磁特性，可大大節約成本、提高效率；（2）根據分析預測結果設計具有良好性能的壓電陶瓷天線，用於無晶片RFID商品追蹤系統。