叠层复合材料声波器件的弹性波理论和结构设计的研究

Multilayered acoustic wave devices, among the new generation acoustic wave devices, have been presented for catering high performance demands, such as wide environmental applicability, wide frequency bands, high operation frequency, high sensitivity, high reliability, multiple operation modes, multiple functionality, low cost and low energy loss. To study the elastic wave theory and the structural design of multilayered acoustic wave devices, on the one hand are crucial for optimizing their operation performances and reducing their development costs, and on the other hand can enrich the theory of electronic and magnetic devices as well as of elastic waves in multi-physics fields. This project, with considering the coupling effects of multi-physics fields and multi-wave modes, will first establish dynamic models for elastic wave propagation in multilayered piezoelectric, piezomagnetic and magnetoelectric acoustic wave devices with taking all of their components into account. The theories and methods for the accurate analysis of wave behaviors will be developed based on the method of reverberation-ray matrix. Second, corresponding computer programs will be developed for the accurate analysis of elastic wave propagation in multilayered piezoelectric, piezomagnetic and magnetoelectric acoustic wave devices. Third, by using direct analytical method, the propagating/attenuating mechanisms and essential parameters of all wave modes in simple multilayered acoustic wave devices and Bragg Cells will be studied. The effects of all essential parameters and designable parameters on the characteristics of all wave modes will also be explored. Finally, based on the above results, structural design principles and methods will be proposed for multilayered acoustic wave devices and Bragg Cells. The achievements based on this project will provide direct theoretical guidelines and structural design methods for developing high-performed multilayered acoustic wave devices.

叠层复合材料声波器件是为满足宽适用性、宽频带、高频率、高灵敏度、高可靠性、多模式、多功能、低价格和低损耗等高性能要求而提出的新一代声波器件。研究叠层复合材料声波器件的弹性波理论和结构设计既对其工作性能的优化、开发成本的降低至关重要，也可丰富电磁器件理论和多场耦合波动力学的内容。本项目将针对叠层压电、压磁、磁电复合材料声波器件，在考虑多场耦合和多波动模态耦合的基础上，建立包含器件各组成部分的系统中弹性波传播的动力学模型，基于回传射线矩阵法发展精确求解波动行为的分析理论和方法，并开发相应的计算程序。另外，采用直接解析法讨论简单叠层复合材料声波器件和单独布拉格单元中各种波动模态的传播/衰减机理和核心参数，探讨各种核心参数和设计参数对波动行为的影响，据此寻求对叠层复合材料声波器件和布拉格单元进行结构设计的原理和方法。本项目的开展将直接为高性能叠层复合材料声波器件的开发提供理论指导和结构设计方法。

随着信息和物联网技术的迅猛发展，对声波器件的宽适用性、宽频带、高频率、高灵敏度、高可靠性、多模式、多功能、低价格和低损耗的要求也日益提高，叠层复合材料声波器件有望满足这些高性能要求。研究叠层复合材料声波器件的弹性波理论和结构设计不仅能将该新一代声波器件推向工程应用，而且会丰富结构的弹性波理论，具有重要的工程和科学意义。. 本项目针对四种类别的叠层复合材料声波器件，包括一般性叠层压电、压磁、磁电复合材料，周期性叠层智能复合材料（布拉格单元），周期性叠层均匀/梯度点阵材料和周期性弹性/智能多相杆、多相梁，从各种弹性波传播的理论分析方法、波动模态的弥散特性和/或频带特征及其参数依赖性、主被动调制因素和缺陷对各种弹性波传播行为的影响等方面进行了系统的研究。首先，广泛利用各种介质的线性弹性理论、周期结构的Floquet-Bloch原理，等效介质理论和超胞技术，将回传射线矩阵法（MRRM）引入到各种叠层复合材料的SH波、P-SV波（Lamb波）和三维耦合模态弹性波传播的分析中。其次，编制相应的通用计算机程序，结合算例得到各类叠层结构中各种弹性波的弥散曲线、频带曲线、传输曲线、稳态和瞬态响应等。最后，讨论结构构型、几何/材料参数、缺陷和边界条件（包括主动调制）等因素对波动行为的影响。. 研究发现：（1）推导的回传射线矩阵法可考虑各种波动模态，能适用于所讨论的全部结构形式，具有列式统一、无条件数值稳定、结果精确、求解高效、编程方便的优点，对各频段分析都适用。（2）部分介电常数和/或磁导率为负值可引起某些弹性波模态的跃移现象，此时群速度和能量速度很大，群速度与相速度还可能会反向，这种新颖的波动现象或许能用于开发超快速响应器件。（3）各种结构中弹性波的弥散特性和频带特征受各种被动或主动调制因素的影响明显，且具有较为明确的规律，这可用于器件功能的优化。. 本项目的研究成果能为高性能叠层复合材料声波器件的开发和设计提供理论指导。