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流体覆盖薄层对无限大弹性板中声表面波波速的影响
张艳
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压电声表面波器件有频率高、体积小、功能多、稳定性好、易于批量生产等特点，以其独特的性能在移动通信、航空航天、电子对抗等军用和民用领域得到了成功的应用。新兴的声表面波流体传感器，更是以其灵敏度高和功耗低的特点，广泛应用于生物和化学试样的检测，是传感领域拥有巨大发展潜力的新方向。
本文首先从覆盖理想流体层的各向同性半无限大弹性体中的声表面波分析开始，求得了表面波速度与理想流体层厚度的关系，得到的结果与早期的研究和实验结果一致。当基体是各向同性无限大弹性板的情况时，发现随着流体层厚度的不断减小，弹性板的振动开始表现为显著的对称和反对称模态，这一结果与没有覆盖流体层的弹性板振动研究结果相吻合。由于实际的声表面波器件都是由各向异性材料制造的,为了能更精确地分析流体试样对声表面波的影响，我们分析了基体是半无限大ST切石英晶体和无限大ST切石英晶体板的情形。由于弹性板与流体层的相互作用，实际振动会出现多个声表面波模态和相应的波速。
接着本文对覆盖粘性流体层的各向同性以及各向异性无限大弹性板中的声表面波传播特性进行了分析，求得了覆盖粘性流体层的无限大弹性板中的声表面波波速方程。数值计算表明，由于弹性板和粘性流体层的驻波共振，板中声表面波的对称和反对称模态随着波速不同而进行着转换。并且发现当粘性流体层厚度为零时，我们所求得的波速与没有覆盖粘性流体层相对应的无限大弹性板中的声表面波波速相同；当粘性流体层的厚度不断增加时，求得的声表面波波速接近于粘性流体层中的波速。
最后，本文把覆盖层材料扩展到粘弹性材料。在考虑粘弹性材料的复材料常数的情况下，求得了覆盖粘弹性层的无限大弹性体和弹性板中的声表面波波速方程。由于我们现行的研究模型更接近实际的声表面波流体传感器，并且充分考虑了覆盖流体层的厚度、密度以及粘性影响，因此本文的研究方法以及得到的结果对于声表面波流体传感器的分析和设计具有重要的实用价值。
关键词：声表面波，传感器，理想流体，粘性流体，波速
1 绪论 1
1.1 声表面波传感器的应用及其工作原理 1
1.2 国内外研究现状及分析 2
1.3 本文的主要工作 3
2 覆盖理想流体层的各向同性无限大弹性板中的声表面波波速计算 5
2.1 半无限大弹性体和理想流体层中声表面波理论介绍和推导 5
2.2 算例1 11
2.3 覆盖理想流体层的各向同性无限大弹性板中声表面波分析 12
2.4 算例2 14
2.5 本章小结 18
3 覆盖理想流体层的无限大ST切石英晶体板中声表面波波速计算 19
3.1 覆盖理想流体层的半无限大ST切石英晶体中的声表面波分析 19
3.2 算例1 21
3.3 覆盖理想流体层的无限大ST切石英晶体板中的声表面波分析 22
3.4 算例2 25
3.5 本章小结 27
4 覆盖理想流体层的各向同性无限大弹性板中的声表面波波速计算 28
4.1 粘性流体层中声表面波理论推导 28
4.2 覆盖粘性流体层的各向同性基体中声表面波分析及算例 29
4.3 覆盖粘性流体层的各向异性基体中声表面波分析及算例 37
4.4 本章小结 42
5 覆盖粘弹性薄层的无限大弹性板中的声表面波波速计算 43
5.1 粘弹性覆盖层中声表面波理论推导 43
5.2 覆盖粘弹性层的各向同性基体中声表面波分析及算例 44
5.3 覆盖粘弹性层的各向异性基体中声表面波分析及算例 49
5.4 本章小结 53
6 总结与展望 54
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