Page 134 - 《振动工程学报》2025年第9期

第 38 卷第 9 期 振 动 工 程 学 报 Vol. 38 No. 9
2025 年 9 月 Journal of Vibration Engineering Sept. 2025

压 电 层 合 结 构 中 Love 波 的 传 播

及 其 在 质 量 传 感 中 的 应 用 研 究

汪殊楠 ， 李 鹏 ， 马廷锋 ， 钱征华 ， 陈 震 3,4
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（1. 南京航空航天大学航空航天结构力学及控制全国重点实验室，江苏 南京 210016；
2. 宁波大学冲击与安全工程教育部重点实验室，浙江 宁波 315211； 3. 中国航空工业集团公司金城南京机电液压工程研究中心，
江苏 南京 211106； 4. 航空机电系统综合航空科技重点实验室，江苏 南京 211106）

摘要：为了探索声表面波器件在质量传感中的应用，本文应用理论分析和数值计算的方法系统研究了压电层合结构中 Love 波
的传播特性。以附加质量层/压电敏感层/半无限大弹性半空间结构作为研究对象，构建理论解用以满足每层的动力学控制方
程以及层与层之间的连续性边界条件，得到 Love 波传播的相速度方程；在验证了相速度方程的正确性后，参数化分析了附加
质量层的结构参数和材料参数对 Love 波相速度的影响，包括厚度、剪切模量、密度、介电系数等；给出了仅考虑附加质量层
惯性作用下 Love 波频散方程的近似求解方法，并分析了其适用区间。研究结果表明：Love 波对附加质量层的厚度特别敏感，
而其介电系数对 Love 波的相速度几乎没有影响，且 Love 波的相速度随附加质量层密度的增大线性减小。本文给出的仅考虑
附加质量层惯性的理论分析模型具有普适性，不仅在附加质量层很薄的情况下具有较高的计算精度，而且还可使求解过程得
到大大简化。相关结果和方法能够为声表面器件在质量传感中的应用提供参考。
关键词： Love 波；声表面波器件；相速度
中图分类号：O343 文献标志码：A DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.202308038

Love wave propagation in piezoelectric layered structures

and its application in mass sensing

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WANG Shu’nan ，LI Peng ，MA Tingfeng ，QIAN Zhenghua ，CHEN Zhen 3,4
（1.State Key Laboratory of Mechanics and Control for Aerospace Structures，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，
Nanjing 210016，China；2.Key Laboratory of Impact and Safety Engineering，Ministry of Education，Ningbo University，
Ningbo 315211，China；3.AVIC Jincheng Nanjing Engineering Institute of Aircraft System，Nanjing 211106，China；
4.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Aero Electromechanical System Integration，Nanjing 211106，China）
Abstract：With the advantages of small size，light weight，flexible design and excellent frequency selectivity，surface acoustic wave devices
are widely used in radar，communication，non-destructive testing，electronic countermeasures，TV signal processing and other fields. For
exploring the application of surface acoustic wave (SAW) devices in mass sensing，the Love wave propagation in a piezoelectric layered
structure is systematically investigated from perspectives of theoretical analysis and numerical examples. As for the theoretical model consisting
of an additional mass layer，a piezoelectric sensing layer and a semi-infinite elastic half-space，the exact solution that simultaneously satisfy
the dynamic governing equations and the continuous conditions between layers is established， and the phase velocity of Love waves is
obtained.Then,the three-layer structure is degenerated into two-layer structure by stepwise degradation method， and the correctness of the
theory is verified by comparing with the results of previous paper. After validation，the influence of structural and material parameters of the
additional mass layer on Love wave phase velocity is conducted，including the thickness，shear modulus，density，and dielectric coefficient.
Finally，an approximate method with only consideration of the inertial effect of the additional mass layer is developed，with its applicable
condition demonstrated. It is revealed via numerical examples that the Love wave is very sensitive to the thickness of the additional mass
layer，while the dielectric coefficient has minimal influence on the phase velocity. Additionally，the phase velocity decreases linearly when
the density of the additional mass layer increases. The approximate method proposed in this paper exhibits good universality，which simplifies

收稿日期：2023-08-18；修订日期：2023-11-13
基金项目：国家重点研发计划资助项目（2023YFE0111000）；国家自然科学基金资助项目（12172171）；航空科学基金资助
项目（20200028052011）