聲導(dǎo)波在鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛單晶中傳播特性的研究.pdf

1、弛豫型鐵電單晶鈮鎂酸鉛－鈦酸鉛（PMN-PT）具有極為優(yōu)良的壓電性能，它的發(fā)現(xiàn)是鐵電領(lǐng)域近幾十年來一次激動(dòng)人心的突破。這種材料很有可能應(yīng)用在下一代機(jī)電設(shè)備之中，包括壓電超聲馬達(dá)、用于結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)的壓電傳感器、醫(yī)用超聲探頭、噪聲消除器件等。本論文以處于準(zhǔn)同型相界附近的PMN-PT單晶為研究對(duì)象，以PMN-PT單晶的全矩陣機(jī)電系數(shù)為基礎(chǔ)，研究了在具有不同極化狀態(tài)下的PMN-PT單晶無限大薄層中傳播的蘭姆波和水平剪切（SH）波，對(duì)不同傳播方向

2、聲導(dǎo)波的色散特性進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并計(jì)算了模式的位移隨空間和時(shí)間的分布情況。
　　利用部分波法分別對(duì)多疇和單疇的PMN-PT單晶薄層中沿不同傳播方向傳播的聲導(dǎo)波的傳播特性進(jìn)行了詳細(xì)的研究。為了不受復(fù)雜的周圍環(huán)境和結(jié)構(gòu)對(duì)其色散特性的影響，以便于更好地研究此系列單晶的色散特性，本工作以真空中無限大PMN-PT晶體自由薄層為研究對(duì)象。研究發(fā)現(xiàn)無論是多疇或單疇PMN-PT系列單晶，其自由薄層中的聲導(dǎo)波都表現(xiàn)出了許多有趣的色散特性：

3、　?。?）其各個(gè)色散曲線之間有許多的交叉與耦合，這使得其色散曲線變得異常的復(fù)雜，許多色散曲線成螺旋狀；
　　（2）若不考慮模式間的耦合，則大多數(shù)模式都呈對(duì)號(hào)“√”的形狀，即隨著頻率的增大，這些模式的相速度會(huì)從截止頻率處開始迅速降低，在達(dá)到某個(gè)最小值后又隨頻率增加而較緩慢地增大，并最終于高頻處趨近于矢徑剪切波速度；
　?。?）在有些情況下，當(dāng)蘭姆波與SH波耦合時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)速度很小的對(duì)稱模式（單疇PMN-PT情況下為反對(duì)稱模式

4、），這個(gè)新的模式在高頻處的極限為瑞利波波速。
　　對(duì)PMN-PT單晶薄層中沿不同傳播方向傳播的聲導(dǎo)波的位移特性的研究表明，當(dāng)傳播方向變化時(shí)，蘭姆波與SH波在絕大部分情況下都是耦合的，只有在特定的幾個(gè)方向上兩者才會(huì)分離，并且呈現(xiàn)出周期性變化的規(guī)律。對(duì)沿[001]c和[011]c方向極化的樣品，周期分別為4/π和2/π，并且是同種對(duì)稱模式的蘭姆波和SH波之間發(fā)生耦合，對(duì)沿[111]c方向極化的樣品，周期為π/3，是對(duì)稱性相反的蘭姆波和

5、SH波模式之間發(fā)生了耦合。
　　由于文獻(xiàn)中只有一組[111]c極化的單疇PMN-PT晶體的全矩陣機(jī)電系數(shù)數(shù)據(jù)，并且是在較大的偏壓下測(cè)量的，這個(gè)偏壓可能會(huì)對(duì)晶體的各種性質(zhì)產(chǎn)生影響。因此本文利用超聲波和共振法相結(jié)合的方法測(cè)量了一組無偏壓電場(chǎng)的[111]c極化單疇PMN-0.29PT晶體的全矩陣機(jī)電系數(shù)，并研究其色散特性，發(fā)現(xiàn)偏壓的存在并沒有對(duì)晶體的色散特性產(chǎn)生很大的影響，每個(gè)模式的規(guī)律都和有偏壓情況時(shí)相同。并且理論分析了壓電振子幾何尺

6、寸比對(duì)機(jī)電耦合系數(shù)k31影響，發(fā)現(xiàn)振子尺寸比的變化對(duì)不同極化狀態(tài)的PMN-PT單晶產(chǎn)生了不同的影響。更精確的結(jié)果表明當(dāng)尺寸比接近1時(shí)教科書中計(jì)算機(jī)電耦合系數(shù)的公式會(huì)有很大的誤差。一般的，當(dāng)尺寸比大于3或小于0.3時(shí)，運(yùn)用傳統(tǒng)公式所得的測(cè)量值誤差會(huì)迅速減小，教科書中的公式可以適用。
　　本論文利用部分波法研究了PMN-PT單晶自由薄層中傳播的聲導(dǎo)波的色散特性和位移分布情況，并得到了一些新穎的結(jié)論，為PMN-PT單晶在聲導(dǎo)波器件中的應(yīng)