什么是声表面波?

[拼音]：shengbiaomianbo

[外文]：surface acoustic wave

在固体半空间表面存在的一种沿表面传播，能量集中于表面附近的d性波。声表面波又称为表面声波。

1885年，英国物理学家J.W.瑞利从理论上预言，在各向同性均匀固体表面存在声表面波，故又称为瑞利波。声表面波的传播速度vs满足瑞利方程

式中vl和vt分别为固体中纵波和横波的传播速度。对于实际的固体，声表面波的传播速度比横波速度约慢10％。这时，表面波的传播是非频散的。它的质点振动位移有两个相位差为90°的分量：一个垂直于表面，另一个顺着表面内波的传播方向。它们的幅度随着深度的加深，虽不一定是单调的，但最终将趋向于零（图1 ）。由图可见，当深度在几个波长以后，其幅度就已很小。

在自然现象中，如在地震时，就存在声表面波。在超声技术领域，它最初用作声延迟线和用于检测表面缺陷等方面。但由于激发和检测表面波比较复杂，其应用受到一定限制。

声表面波不仅可以在各向同性均匀固体中传播，而且也可以在不均匀的（如分层的）固体介质中传播。不过，这时它是频散的，并且有多种模式。在各向异性介质（如晶体）中，也可能存在声表面波，但由于介质的各向异性，其传播特性随表面的取向和传播方向而不同，而质点振动一般有三个分量。对于均匀的晶体，其传播也是非频散的。

1965年，人们发现，在具有压电性的晶体上声表面波也可以传播。由于存在压电性，在电声之间存在耦合。在这种波传播时，不仅有力学质点的振动，而且电场分布也随之传播。这时，在晶体半空间内电场最终也随深度趋向于零。同时，在界面另一边的真空中，也有电场传播，并随对表面距离的增加而逐步减小；如果在压电晶体表面沉积上一层很薄的良导体（金属膜）就会使表面电场短路，从而降低声表面波的速度。前者称为自由表面，后者称为金属化表面。

压电晶体本身是换能介质，在传播声表面波的压电晶体表面可以制做电声换能器，使电能和声能互相转换。叉指换能器（图2）能有效地产生和接收声表面波。这种换能器是在一仔细取向和抛光的压电晶体表面上沉积两组互相交错分布的、梳状的金属条带(叉指)，每组叉指跟一个称之为汇流条的金属条相连接。通过汇流条把电信号加在这两组叉指上，就会产生以一对叉指间隔为周期的电场分布。通过电声耦合，即产生一个d性应变的分布。它激发固体质点的振动，并以伴有电场分布的d性波形式在压电基底介质中沿表面传播出去。这一表面波传到压电介质的另一端时，被另一个叉指换能器接收，再转换成电信号。这样，就在同一个压电基底上完成了电-声-电的转换过程。在此过程中，如果对信号进行加工处理，就构成声表面波器件，由此而形成声表面波技术。

声表面波技术的特点是：

（1）声波比电磁波的传播速度要小5个数量级；在相同频率下，波长也短5个数量级，因而器件体积将大大缩小；

（2）信号的转换和传递是在压电晶体表面进行的，因而采用半导体平面工艺就可以制做器件。此外，信号的提取，注入和加工处理也很方便。

参考书目

A.A.Oliner ed.，Acoustic Surface Waves，Springer Verlag， Berlin， Heidelberg， New York，1978.