Surface Acoustic Waves in Inhomogeneous Media (Springer Series on Wave Phenomena) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Sergey V. Biryukov

出品人:

页数:398

译者:

出版时间:1995-05-12

价格:USD 118.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9783540584605

丛书系列:

图书标签:

• Surface Acoustic Waves
• Acoustic Waves
• Inhomogeneous Media
• Wave Propagation
• Solid State Physics
• Materials Science
• Springer Series on Wave Phenomena
• Physics
• Engineering
• Applied Physics

《不均质介质中的表面声波：原理、应用与前沿进展》 引言 声波，作为一种古老而强大的信息载体，自人类文明伊始便在自然界中扮演着重要角色。从远古的警示信号到现代的精密探测，声波的应用无处不在。然而，我们日常接触到的许多声学现象，如回声、声波在水中或空气中的传播，通常发生在相对均匀且各向同性的介质中。但现实世界远非如此简单，大多数物质介质都存在着某种程度的不均质性，例如材料内部的晶格缺陷、温度梯度、压力变化，甚至是结构上的分层或渐变。这些不均质性对声波的传播行为产生了至关重要的影响，尤其是在高频和微米尺度的工程应用中。 本书将聚焦于一种特殊的声波——表面声波（Surface Acoustic Waves, SAWs），并深入探讨其在不均质介质中的传播特性、激发机制、探测方法以及广泛的应用前景。表面声波，顾名思义，是指主要在介质表面或界面处传播的声波。与体波（Bulk Waves）不同，表面声波的能量主要集中在介质的表面附近，衰减相对较慢，这使得它们成为信息传输、传感和信号处理的理想载体。然而，当这些表面声波遇到不均质的介质时，其传播路径、速度、幅度和偏振等都会发生显著的改变，从而带来全新的物理现象和潜在的应用机遇。 本书旨在为读者提供一个关于不均质介质中表面声波的全面视角，内容涵盖了从基础理论到前沿研究的各个层面。我们将首先回顾表面声波的基本概念和在均匀介质中的传播规律，为理解后续的不均质介质中的现象奠定基础。随后，我们将重点探讨各种类型的不均质性对表面声波传播的影响，包括但不限于： 材料内部的宏观或微观不均质性： 例如，多层结构、梯度材料、周期性微结构（如光子晶体或声子晶体）、缺陷、晶界、以及温度或应力引起的材料属性变化。 介质表面的不规则性： 如粗糙表面、刻蚀结构、以及表面涂层的影响。 耦合效应： 表面声波与其他物理场的耦合，如压电效应、热电效应、磁致伸缩效应等，以及在不均质介质中这些耦合效应的复杂化。 通过深入剖析这些不均质性带来的物理现象，本书将引领读者理解如何利用或克服这些效应，以实现更高效、更精确的表面声波器件和应用。 第一部分：表面声波基础与不均质性的引入 本部分将为读者建立坚实的理论基础。我们将从声波的基本方程出发，推导出表面声波的运动方程，并详细介绍瑞利波（Rayleigh Waves）和雷萨波（Love Waves）等最常见的表面声波模式。在介绍均匀介质中的传播特性时，我们将重点关注其速度、衰减、偏振等关键参数。 随后，我们将引入“不均质性”这一核心概念，并对其进行分类。从宏观层面，我们将讨论多层结构（如压电基片上的金属膜）、梯度材料（如声速随深度或横向位置变化的材料）的物理模型。从微观层面，我们将探讨晶格缺陷、点缺陷、位错等对表面声波传播的影响。我们还将介绍周期性结构，如光子晶体和声子晶体的概念，以及它们如何通过布拉格散射（Bragg Scattering）等机制在不均质介质中形成声子带隙（Phononic Band Gaps），从而对表面声波的传播进行精确调控。 第二部分：不均质介质中表面声波的传播理论 本部分将深入探讨不均质性对表面声波传播的具体影响。我们将采用多种理论工具和数值方法来分析这些复杂问题。 边界条件与层析法： 对于层状不均质介质，我们将详细介绍如何通过匹配各层界面的位移和应力边界条件来求解表面声波的传播特性。层析法（Transfer Matrix Method）将是分析多层结构表面声波传播的重要工具。 梯度理论与连续介质力学： 对于材料属性随空间连续变化的梯度材料，我们将利用连续介质力学的梯度理论，分析表面声波在这些介质中的传播行为，例如声速的非线性变化、反射和折射现象。 微扰理论与散射理论： 对于由缺陷、粗糙表面或微结构引起的小尺度不均质性，我们将运用微扰理论（Perturbation Theory）和散射理论（Scattering Theory）来描述表面声波的散射、衍射和能量损失。 数值模拟方法： 鉴于许多不均质介质中的表面声波问题难以获得解析解，我们将重点介绍有限元方法（Finite Element Method, FEM）、边界元方法（Boundary Element Method, BEM）以及时域有限差分法（Finite-Difference Time-Domain, FDTD）等数值模拟技术在求解复杂不均质介质中表面声波传播问题中的应用。我们将讨论如何构建模型、设置参数以及解释模拟结果。 耦合效应的分析： 特别地，对于压电材料等具有耦合效应的介质，我们将探讨不均质性如何影响压电耦合方程的求解，以及表面声波如何在电场、温度场等相互作用下产生或被探测。 第三部分：表面声波在不均质介质中的激发与探测 表面声波的有效激发和精确探测是其实际应用的关键。本部分将详细介绍在不均质介质中，如何通过各种方法来激发和探测表面声波。 激发方法： 交叉指换能器（Interdigital Transducers, IDTs）： 作为最常用的表面声波器件，我们将分析IDTs在不均质基底上的电声转换效率，以及如何通过IDT的设计来适应不均质性。 激光超声（Laser Ultrasound）： 介绍激光诱导表面声波的原理，以及如何利用非接触式的激光探测来研究不均质介质的表面声波特性。 压电陶瓷激励： 讨论压电陶瓷作为激励源，通过声阻抗匹配等技术在不均质界面上产生表面声波。 探测方法： 光学探测方法： 包括干涉仪（如Michelson干涉仪）、光纤传感器等，它们可以非接触式地测量表面声波引起的表面位移。 电学探测方法： 如通过接收IDTs将表面声波信号转换回电信号，以及利用压电效应直接探测表面声波引起的电势变化。 扫描声显微镜（Scanning Acoustic Microscopy, SAM）： 介绍SAM的工作原理，以及如何利用其高分辨率成像能力来表征不均质介质表面的声学特性和表面声波的传播。 第四部分：不均质介质中表面声波的应用 不均质介质中的表面声波具有独特的物理特性，使其在诸多领域展现出巨大的应用潜力。本部分将详细介绍这些应用，并探讨未来的发展方向。 传感器与探测器： 质量传感器： 利用表面声波速度随质量变化的原理，设计高灵敏度的质量传感器，例如化学传感器、生物传感器、微流控芯片上的浓度传感器。不均质介质可以增加传感器的敏感度和选择性。 压力/应力传感器： 表面声波对外部压力和应力变化敏感，可用于制造高精度压力和应力传感器，尤其是在具有复杂应力分布的不均质结构中。 温度传感器： 材料的热学性质与声速密切相关，表面声波可用于制造非接触式或高分辨率的温度传感器。 生物医学传感： 利用表面声波对生物分子结合的敏感性，开发用于疾病诊断、药物筛选和生物过程监测的生物传感器。 信号处理与通信： 滤波器与延迟线： 表面声波器件因其易于集成和高性能，已广泛应用于射频滤波和信号延迟，不均质结构可以实现更复杂和定制化的滤波特性。 滤波器组（Filter Banks）： 在通信系统中，不均质介质中的表面声波可以构建具有特定频率选择性的滤波器组，用于多通道信号处理。 声波存储器： 利用表面声波在不均质结构中的回响和耦合效应，实现声波信息的存储。 材料表征与无损检测： 表面缺陷检测： 表面声波对表面和近表面缺陷（如裂纹、孔洞、夹杂物）极为敏感，可用于高分辨率的无损检测。 材料结构分析： 通过分析表面声波在不均质介质中的散射和衰减特性，可以反演出材料的微观结构、晶格缺陷、以及内部应力分布。 梯度材料研究： 表面声波可以用于研究梯度材料的声学特性，评估其宏观和微观性能。 微机电系统（MEMS）与纳米技术： 微流控驱动： 利用表面声波在微通道中产生的声流（Acoustic Streaming），实现对微小液体的精确操控和混合。 微驱动器与执行器： 将表面声波技术集成到MEMS器件中，实现微观层面的运动和驱动。 纳米粒子操控： 利用高频表面声波，实现对纳米粒子的无接触式操控、捕获和组装。 能源收集与转换： 声电转换： 在压电不均质介质中，利用表面声波的能量来收集电能，为微型设备供电。 第五部分：前沿进展与未来展望 本书的最后部分将聚焦于不均质介质中表面声波领域的最新研究进展和未来发展趋势。 新型不均质材料的设计与应用： 例如，具有声子晶体结构的超材料（Metamaterials），它们可以通过精巧的结构设计来调控表面声波的传播，实现负折射、隐身等新奇现象。 人工智能与机器学习在表面声波研究中的应用： 如何利用AI和ML来优化表面声波器件的设计，预测其性能，以及从复杂的实验数据中提取有用的信息。 多物理场耦合的深入研究： 更加精细地研究表面声波与电、热、磁、力等多个物理场在不均质介质中的耦合行为，从而开发更智能化的功能器件。 表面声波在生物医学工程和个性化医疗领域的突破： 例如，利用表面声波进行无创治疗、药物递送、细胞操控等。 面向极端环境的表面声波器件： 开发能够在高温、高压、腐蚀性介质等极端环境下稳定工作的表面声波传感器和执行器。 结论 《不均质介质中的表面声波：原理、应用与前沿进展》一书，将为研究人员、工程师、以及对该领域感兴趣的学生提供一份详尽的参考。我们相信，通过对不均质介质中表面声波传播机理的深入理解，以及对其潜在应用的不断探索，必将推动声学、材料科学、电子工程、生物医学等多个学科的协同发展，并为解决现实世界中的挑战提供创新的解决方案。本书期望能激发读者对这一迷人领域更深入的思考和研究，共同书写表面声波科学的新篇章。

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