基于双向椭圆反射器的瑞利波激发与检测技术及其在传感与驱动中的应用研究

《Ultrasonics》：Bidirectional excitation and detection of Rayleigh waves via two facing elliptical reflectors

为解决传统SAW（Surface Acoustic Wave）器件在机械耐久性、加工难度和高效双向操作方面的局限，本研究提出了一种基于双向椭圆反射器（ELIPS）的瑞利波激发与检测新方法。通过优化设计参数和有限元模拟，实现了40%的入射纵波能量转换为SAW，60%的SAW能量再转换为接收纵波，实验证实双向操作中接收电压达到输入电压的21-22%，线性响应至140 Vpp，振动幅度达12-13 nm，为高性能SAW传感器和电机应用提供了新方案。

　　

表面声波（SAW）技术作为一种在固体表面传播的弹性波，已广泛应用于通信系统、传感器（如气体、液体、生物样本检测）、粒子操控、SAW电机、触觉显示、流体功能及无损检测等领域。然而，传统的SAW器件，如基于叉指换能器（IDT）的压电单晶基底或楔形换能器，存在机械耐久性低、加工困难、频率限制（通常高于10 MHz）以及难以在低声速材料中高效工作等问题。尤其楔形换能器通常采用聚合物材料，在高应变下衰减严重，且无法有效激发低声速基底（如聚合物）中的SAW。这些局限性制约了SAW器件在高功率和双向操作中的应用。

为解决这些问题，研究人员提出了一种新型的椭圆反射器高功率超声波（ELIPS）结构，能够将平面纵波转换为聚焦的垂直剪切波（SV波），并进一步激发瑞利波。ELIPS SAW器件适用于各向同性固体，包括金属和玻璃等非压电材料，具有优异的耐久性、可加工性和成本效益。前期研究已证实ELIPS可实现SAW的单向激发，但检测功能一直未实现，而IDT和楔形换能器均能通过单一结构同时实现激发和检测。由于ELIPS SAW器件的激发机制涉及两次模式转换，其能否通过反向过程实现接收仍存疑问。缺乏接收功能限制了其实际应用，例如在液体特性测量中需额外激光多普勒测振仪监测SAW，增加了系统复杂性；在SAW电机应用中，传统ELIPS仅支持单向驱动，能效较低。

本研究旨在探索ELIPS SAW器件是否能在单一结构中实现SAW的激发和接收，并通过两个相对ELIPS结构交替激发和接收来演示双向SAW操作。研究人员首先提出了SAW激发和检测的原理，然后通过优化设计参数（波源位置、ELIPS尺寸和SAW传播表面相对位置）以确保性能不被低估，再通过有限元法（FEM）模拟验证波传播与原理一致性，最后通过模拟和实验证实了传输和接收的可行性，特别是在实验测试中实现了双向操作。

为开展研究，作者主要采用了以下关键技术方法：基于有限元法（FEM）的模拟分析（使用COMSOL Multiphysics软件），优化设计参数（包括椭圆反射器的几何参数和波源位置），实验验证使用硬质PZT压电陶瓷（MT-812A，Niterra Co., Ltd.）和杜拉铝固体介质，通过激光多普勒测振仪测量振动速度，并分析能量转换效率（基于Poynting矢量计算）。

2. Principle of ELIPS and its application to SAW excitation and reception

ELIPS结构通过模式转换将平面纵波转换为聚焦SV波。椭圆曲线由半短轴长度a、半长轴长度b和焦点距离c定义，其设计确保波从波源到焦点的传播时间恒定，反射波同相到达焦点。Snell定律用于验证设计，即使传播方向反转，传播时间不变，满足Snell定律，因此ELIPS在反向传播时也能工作，将SV波转换为平面纵波。SAW激发机制中，压电板在交变电压下厚度振动发射纵波，经ELIPS反射转换为聚焦SV波，在焦点附近激发瑞利波；检测机制中，瑞利波到达检测ELIPS焦点，其垂直分量激发SV波，经ELIPS反射转换为纵波，振动接收压电板产生电压。

3. Design procedure

设计过程优化三个参数：波源位置、ELIPS尺寸（半短轴长度a）和SAW传播表面相对于焦点的位置。首先优化波源水平位置以最大化模式转换能效，垂直位置最小化声路径长度；然后确定最佳a值以平衡模式转换效率和传播损耗；最后优化SAW传播表面位置以最大化SAW振动幅度。FEM模拟显示，a=15.0 mm时性能最优，模式转换效率达0.66，焦点深度0.6 mm处水平位移近乎零、垂直位移近最大，利于高效瑞利波激发。

4. Verification of the SAW excitation and detection principle

模拟和实验验证了SAW激发和检测原理。二维模型显示，波沿设计声路径传播，40%的入射纵波能量转换为SAW，60%的SAW能量转换为接收纵波。实验中使用杜拉铝原型和PZT压电板，输入10 Vpp、1 MHz、5周期脉冲，输出电压达2.1-2.2 Vpp（21-22%），振动速度5.4-5.8 mm/s，双向操作对称。高功率测试中，响应线性至140 Vpp，振动幅度12-13 nm，适用于高功率应用。

5. Bidirectional excitation and detection of Rayleigh wave

双向操作通过两个相对ELIPS结构实现。模拟和实验显示，波传播时间与理论一致，输出电压比和振动速度在双向均相似，证实了双向激发和检测的可行性。能量分析表明，实验值低于模拟值，可能因粘接层衰减，但波直接性高，无显著深度衍射损失。

6. Discussion

设计优化未显著提升性能，因前期设计已近优化，但明确了参数影响和设计策略。局限性包括固体介质材料、频率固定于1 MHz、粘接损失等，未来可探索其他材料（如不锈钢SUS304）、高频压电薄膜、粘接条件优化以提高性能。SAW检测电压输出达-14 dB，优于传统SAW传感器（-10至-30 dB），通过并联电感可进一步提升。该技术有望提高SAW电机能效，通过能量再利用减少吸收损失。

研究结论表明，ELIPS SAW器件成功实现了双向瑞利波激发和检测，通过优化设计达到高效能量转换，实验验证了21-22%的电压接收率和线性高功率响应，为SAW传感器和电机应用提供了新技术方案，克服了传统器件的局限性，具有重要应用前景。论文发表在《Ultrasonics》，为超声波器件领域提供了创新性贡献。