层状磁电复合材料中弹性波传播若干问题的理论研究

题名:层状磁电复合材料中弹性波传播若干问题的理论研究
作者:庞玉
学位授予单位:北京交通大学
关键词:弹性波;;压电/压磁层状复合材料;;反射/折射;;Rayleigh型表面波;;频散曲线;;压电/压磁
周期层状结构;;传递矩阵法;;刚度矩阵法;;局部化因子
摘要:
 磁电复合材料是由压电材料和压磁材料按照一定的方式复合而成的新型功能材料,这类材
料能实现机械能、电能和磁能之间的相互转换。其磁—电—力的多场耦合效应使其成为制作传感器
、磁电控制装置、微波器件和其它电子产品的首选材料,在信号处理、自动控制、微波通讯和新兴Magnetic lifter
智能材料系统与结构等领域显示出诱人的应用前景。由压电材料和压磁材料交替叠合而成的压电/
压磁层状复合材料或结构是各种电磁元器件的基本构成形式,其中许多可能的应用与弹性波的传播
问题密切相关,因此本文将对横观各向同性压电/压磁层状复合材料或结构中若干基本的波动问题进
行研究,主要内容有:
 1)弹性波在压电/压磁材料界面上的反射和折射。考虑了准纵波(QP波)
和准横波(QSV波)分别从压电介质和压磁介质单独入射时各散射体波的反射、折射系数以及能量系
数随入射角的变化规律,讨论了波型转换以及入射波在界面上的能量转换和分配。研究结果表明:反
射和折射场有6种散射波, http://www.999magnet.com/products/131-magnetic-lifter 即耦合的QP波、QSV波,耦合的凋落声电波(EA波)、凋落声磁波(MA波),以
及与弹性位移解耦的凋落电势波(EP波)和磁势波(MP波)。绝大部分的入射波能量由与入射波相同类
型的波所携带,波型转换生成的波只占有很少一部分能量。
 2)压电/压磁覆层半空间结构中
Rayleigh型表面波的传播.考查了压电覆层自由表面4种不同的电磁学边界条件以及压电覆层的材料
特性对频散曲线和模态分布的影响。研究表明:结构频散特性和模态分布主要受压电层表面的电学
条件影响,磁学条件主要影响最低阶模态。压电材料的剪切体波波速越大,相应的覆层半空间结构中
波的传播速度也就越大。
 3)弹性波沿压电/压磁周期层状结构中铺层方向的传播。讨论
了不同的压电相体积份数以及压电材料特性对频散曲线和模态分布的影响。结果表明:复合结构的
频散曲线类似于自由板中Lamb波的对称模态,每条连续的频散曲线并不代表一个单一的振动模态。
相邻两阶模态的频散曲线间存在着交叉点,在交叉点附近发生波模态转换现象。
 4)压电/压磁周
期层状结构中弹性波的传播和局部化特性。考虑了弹性波垂直传播和倾斜传播的情况。采用传递矩
阵法和/或刚度矩阵法计算了频散曲线、局部化因子和响应频谱等参量,分析了弹性波在周期结构中
的传播特性。研究结果表明:由频散曲线、透射波的频率响应以及局部化因子这三个表征参数所描
述的频带结构特征是一致的。弹性波沿结构的周期方向传播时存在频率通带和频率禁带,其带隙的
大小取决于结构组分材料的弹性常数差值,其差值越大,则带隙频率范围越宽;不论QP波还是QSV波斜
传播,在通带频率范围内,与入射波同类型的透射波强度总是最大;而在某些通带频率下,波型转换生
成的QSV或QP波的透射系数也会达到很大;相比于力电耦合的透射EA波和力磁耦合的透射MA波,透射
MP波与EP波的强度稍大。
 特别值得指出的是,与以往大多数研究工作不同,本文采用了考
虑磁势的压电材料本构方程与考虑电势的压磁材料本构方程来求解具体的波动问题,这样既符合实
际压电/压磁层状复合材料的结构特点,在数学上又精确满足了压电/压磁界面的连续性条件,而且在
物理上带来一些新的波型。本文的工作不仅完善了磁电复合材料的波动理论,而且对磁电复合材料
器件的分析和设计具有重要的理论指导意义。
学位年度:2009