Piezoelectric Transducers and Applications 2008 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Arnau, Antonio (EDT)

出品人:

页数:532

译者:

出版时间:

价格:996.00 元

装帧:

isbn号码:9783540775072

丛书系列:

图书标签:

• 压电换能器
• 压电材料
• 传感器
• 超声波
• 声学
• 电子器件
• 材料科学
• 应用
• 2008
• 工程学

固体物理中的波的传播与相互作用：一个跨学科视角 本书聚焦于材料科学、凝聚态物理以及相关工程领域中的关键现象——固体介质内的机械波与电磁波的传播、耦合及其在先进器件中的应用。 2008年出版的《Piezoelectric Transducers and Applications》虽然是该领域的经典之作，但我们这里的探讨将超越其对压电效应的直接论述，深入挖掘更基础和更广阔的物理机制，为理解复杂材料系统中的能量转换和信号处理提供坚实的理论框架。 本书旨在为高年级本科生、研究生以及专业研究人员提供一个深入且严谨的视角，探讨材料结构如何决定其动态响应，特别是涉及弹性形变、电荷分离以及电磁场响应的耦合现象。我们将系统地考察这些现象背后的微观理论基础，并将其应用于宏观器件的建模与优化。 --- 第一部分：弹性介质中的动力学基础 (Foundations of Elastic Dynamics in Solids) 本部分是理解所有基于波的换能器的核心。我们从最基础的连续介质力学出发，构建描述材料内部应力与应变的本构关系。 1. 连续介质理论与应力状态分析： 详细阐述柯西应力张量、应变张量及其在三维空间中的描述。讨论应力状态的分类（如主应力分析）以及张量在不同坐标系下的变换规律。重点分析晶体材料中应力张量与晶格对称性的关系，为后续引入电场或磁场耦合做铺垫。 2. 声学波的产生与传播： 深入分析弹性波在无限介质中的运动方程——Navier-Cauchy方程。精确区分纵波（P波）和横波（S波）的速度、偏振方向及其在各向同性及各向异性材料中的传播特性。对于晶体结构，我们将引入弹性常数矩阵，探讨声速如何依赖于波传播的方向和晶体取向。 3. 边界条件与波的反射、折射： 在界面处，声波必须满足位移连续性和应力连续性的边界条件。本书将详细推导斯涅尔定律（Snell's Law）在声学中的应用，包括全内反射现象。此外，我们将分析波在界面上的能量分配，引入声阻抗（Acoustic Impedance）的概念及其对能量传输效率的决定性影响。 --- 第二部分：场耦合效应的理论框架 (Theoretical Frameworks for Field Coupling) 本部分将研究当机械力学场与电磁场（或热场）在材料内部发生相互作用时的物理机制。虽然不直接讨论压电现象本身，但会深入分析其背后的张量代数基础，并拓展到其他重要的耦合现象。 4. 晶体对称性与本构方程的简化： 强调群论在材料科学中的应用。通过分析材料的晶体点群对称性，系统地推导出描述材料宏观特性的本构方程（如弹性、介电、热膨胀等）。通过张量缩并和索引约定，清晰地展示如何从微观结构过渡到可测量的宏观参数，这是理解所有耦合效应的前提。 5. 铁电与热电材料中的耦合： a) 热力学驱动的耦合： 深入分析塞贝克效应（Seebeck Effect）和珀尔帖效应（Peltier Effect）的热电耦合机制。讨论电导率、热导率与电势梯度之间的相互依赖性，并引入衡量热电性能优劣的无量纲参数 $ZT$。 b) 介质中的电磁场响应： 详细讨论电场如何在材料内部诱导极化（电介质响应）。分析电位移场、电场强度和极化强度之间的关系，重点区分线性、饱和以及电滞回线现象。讨论材料的介电常数张量，及其与晶体结构的关系。 6. 波动方程的耦合形式： 构建耦合的波动方程组。例如，对于一个具有某种对称性的介质，如何将弹性方程与麦克斯韦方程耦合起来，形成一个四阶或更高阶的偏微分方程组，用以描述能量如何在机械振动和电荷运动之间无损或有损地转换和传递。 --- 第三部分：结构对波传播的影响 (Structural Influence on Wave Propagation) 本部分将研究宏观结构设计如何调控波的动态行为，这是设计高效传感和滤波器的关键。 7. 周期性结构中的布洛赫波与带隙理论： 将材料的周期性引入到波动方程中。利用Floquet理论，推导声子晶体（Phononic Crystals）或光子晶体中的能带结构。重点分析声学带隙（Band Gaps）的形成条件，即当声波的波长与周期性结构的晶格常数产生共振时，能量如何被禁止在特定频率范围内容传播。这为设计高精度滤波和隔离器件提供了理论基础。 8. 薄膜与界面效应： 分析波在有限厚度结构中的行为，如薄膜中的Lamb波和Rayleigh波。讨论界面散射和耗散机制，包括材料的粘滞阻尼和界面处的能量泄漏。这是微纳机电器件（MEMS/NEMS）设计中不可避免的问题。 9. 散射理论与逆向问题： 在非均匀介质中，波的传播通常表现为散射。本书将应用雷利散射（Rayleigh Scattering）和丁格（T-matrix）方法来描述小缺陷或颗粒对波场的扰动。反过来，介绍如何通过测量散射波场（如超声或光波），反演出介质内部的结构参数和缺陷分布，即无损检测（NDT）中的逆问题求解。 --- 结论与展望 本书通过对固体动力学、场耦合理论以及结构调控机制的深入剖析，为理解如何利用材料的本征物理性质设计功能器件提供了全面的理论工具。尽管我们未直接深入讨论2008年那本书的特定应用案例，但本书所奠定的基础——即理解机械能、电能和热能在固体中的基本转换规律和传播限制——是任何先进换能器技术（无论基于何种效应）发展的基石。未来的研究将更多地集中于材料的非线性响应、量子效应以及在极端条件下的行为，而本书提供的线性耦合理论框架是探索这些复杂领域的第一步。

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