具有波导层的压电声子晶体复合结构中的表面波研究

The surface acoustic waves in piezoelectric phononic crystals have a promising application prospect in the fields of resonators, filters and sensors. Based on piezoelectric elastic theory and elastic wave theory of periodic structure and by using of plane wave expansion method and finite element method combination with the necessary experimental testing, we will investigate the propagation properties and band gap structures of surface acoustic waves in piezoelectric phononic crystal structures coated with a waveguide layer, including Rayleigh-SAWs and SH-SAWs. We will study the effects of various periodic structures, lattice parameters and material constants on surface acoustic wave propagation and band gap. The waveguide layer or substrate is a phononic crystal structure, or both of them are phononic crystal structures. We will also make clear the tunable mechanism and effects of biasing electric fields and biasing magnetic fields on band gap structure and propagation properties of surface acoustic waves. Furthermore, we will probe into the effects of functionally graded properties of waveguide layer materials and imperfect interface between waveguide layer and substrate on band gap and propagation of surface acoustic waves thoroughly. This study will be helpful to develop the calculation and analysis method to the elastic waves in phononic crystals, deepen the understanding of the surface acoustic waves propagation, and push forward the application of phononic crystals in piezoelectric acoustic wave devices.

压电声子晶体结构中的表面波在谐振器、滤波器、传感器等声波器件方面具有重要应用前景。本项目依据压电弹性理论和周期结构弹性波理论，主要运用平面波展开法和有限元法并结合实验测试，深入研究具有波导层的压电声子晶体复合结构中表面波带隙结构和传播特性，包括瑞利表面波（Rayleigh-SAWs）和水平剪切表面波（SH-SAWs）。针对波导层和基底分别是或者均是声子晶体的复合结构，探究不同的周期结构、几何参数和材料常数对表面波传播与带隙的影响，揭示电偏场和磁偏场对表面波带隙与波传播特性的调控机理和作用规律，进一步研究波导层材料性能梯度变化和波导层与基底之间的非理想界面等复杂因素对带隙结构和波传播特性的效应。本项研究对发展声子晶体弹性波计算分析方法，深化对周期结构表面波传播特性的认识，推动声子晶体在压电声波器件的应用具有重要意义。

由压电材料构成的声子晶体可实现对弹性波和声波的滤波、导向和聚焦等多种调控功能，从而显著提高滤波器、谐振器和传感器等声表面波器件的性能。本项目依据压电弹性理论，采用平面波展开法和有限元法，深入研究了具有覆盖层的压电声子晶体复合结构中的声表面波传播。主要研究内容如下：.研究了具有波导层的压电周期结构中的Love波传播。分析了波导层尺寸、波导层初应力和波导层与基底非完美连接对带隙的影响。结果表明，波导层厚度对带隙影响显著，随着厚度的增加，带隙中心频率降低，带隙宽度变窄。波导层初应力会显著改变带隙中心频率位置。随着界面连接程度减弱，带隙宽度变窄，带隙中心频率降低。.研究了两种周期极化铌酸锂材料的声子晶体结构中Rayleigh波传播特性。第一种是周期极化铌酸锂基底/均质覆盖层结构；第二种是周期极化铌酸锂薄膜/弹性基底结构。对于第一种结构，电学开路或电学短路边界条件对带隙宽度和频率位置的影响较小，而覆盖层的材料特性对带隙影响显著。对第二种结构，电学开路条件下带隙较小，电学短路条件下会出现较大的带隙，因此通过电学边界可控制带隙的打开或关闭。.研究了超磁致伸缩材料Terfenol-D作为散射体构成的二维声子晶体结构中的表面波。基于L-Z模型研究了两种声子晶体结构种的表面波：一种为有限高度的Terfenol-D圆柱阵列内嵌于基底中，另一种为有限高度的Terfenol-D圆柱置于基底表面。结果表面，前一种结构在合适的偏置磁场大小可以打开新的带隙。而对于后一种结构，随着偏置磁场的增大，高频带隙会发生明显的偏移和带宽的变化。.研究了声子晶体基底/压电功能梯度覆盖层结构中Love波传播特性，分别给出了电学开路条件下不同功能梯度参数时Love波的能带结构，发现考虑材料功能梯度变化时带隙整体向低频偏移且带隙宽度减小。电学开路时，带隙的上支和下支均随着功能梯度参数的增大而向低频偏移且带隙的宽度减小。.本项目研究对深化压电声子晶体弹性波理论、推进声子晶体在声波器件中的应用具有重要意义。