
压电器件中有一类重要和应用广泛的领域:声表面波器件(Surface Acoustic Wave Devices, SAWD), [电®声®电]
对于各向异性的晶体,它的弹性性质由胡克定律来描述。

这里c为弹性劲度系数。
而应变张量元为:

式中u、v、w代表晶体中质点位移沿x、y、z方向的分量。
质点的运动方程可写为

式中r代表晶体密度,按(3-8)对应关系,上式可改写为

把(3-12)、(3-18)代入上式,原则上就得出波的传播方程式,从而解出位移三个分量u、v、w。

显然,这样的运算比较繁杂。下面我们介绍另外的方法求解晶体中所传播的弹性波方程的方法。
由于讨论的是各向异性介质,波在不同方向上的传播情况显然是不同的。例如,各个方向上的有效弹性常数不同,波的传播速度也不同。
下面我们具体来考虑某一方向上的传播情况。设任意传播方向j,它的方向余弦为l、m、n,在这个方向上的某点P(x、y、z)同原点的距离为j ,则

显然,P的位移分量u、v、w依赖于(即质点的位移)波的传播方向l、m、n,所以可以把(3-18)式改写为:

应力和应变之间由胡克定律联系

(3-21)式代入上式得到质点位移(u,v,w)与应力(T1-T6)之间的关系
质点运动方程可写为:

式中Gij称为克利斯托夫(Christoffel)张量,它共有六个张量元,组成对称二级张量。
克利斯托夫(Christoffel)张量Gij的表示式:

设x表示沿j传播的波在晶体中所引起的弹性位移矢量,它的分量为u、v、w。位移矢量x的方向余弦为p、q、r,那么,

x为位移矢量x的长度。
把x的表达式代入到质点运动方程(3-22)式中得到:

这就是j沿方向传播的弹性波方程,式中ceff代表沿方向晶体的有效弹性常数。
晶体沿方向j的有效弹性常数ceff须满足下列方程组:

因而得久期方程
(3-26)
由此可知,一般情况下,ceff有三个解ceff,i(i=1、2、3),它们分别对应于三个不同的波,其对应的传播速度为(ceff,i/r)1/2。
对于这三个波,质点分别有相应的三个位移,把由久期方程 (3-26)式求得的ceff,i代入到有效弹性常数(3-25)式,即可解出与ceff,i对应的位移的方向余弦pi、qi、ri。
下面以立方晶系为例,对上面的讨论加以说明。
立方晶系的弹性劲度常数

立方晶系只有三个独立的弹性常数c11、c12和c44。
由(3-23)式可得到它的克利斯托夫张量为:

(3-27)
把上式代入到久期方程(3-26)式,得到:

(3-28)
当j沿[100]方向时,l=1、m=0、n=0,这时上式(3-28)变为

即可解得Ceff,1=C11,Ceff,2=C44,Ceff,3=C44。把这些式子代入到(3-24)式,可得到三个弹性波的波速和对应质点的位移方向。
沿[100]方向三个弹性波的波速和对应质点的位移方向
(1)

即x沿[100]方向;
(2)

即x沿[010]方向;
(3)

即x沿[001]方向;
当j沿[110]方向时,l=m=1/ 、n=0,同理可知也有三个弹性波:
(1)
![]()
即x沿[110]方向;
(2)

即x沿[001]方向;
(3)
![]()
即x沿[
]方向;
当j沿[111]方向时,l=m=n=1/ ,三个弹性波为:
(1)

即x沿[111]方向;
(2)和(3)

即x沿垂直于[111]方向平面上的任意方向;
从以上讨论可以知道,x弹性波在晶体中传播一般有三个不同速度,其中一个波的位移方向和波矢方向j相同,我们把它称为纵波;而另外两个波的位移方向垂直于波矢方向,则称为横波。
最后还应指出:对于各向异性介质(如单晶)来说,在一般的方向上,虽有三个传播速度,但是对应于某一传播速度,往往质点位移方向既不平行也不垂直于波矢方向,因此纵波和横波不能加以分辨,只能在某些特殊方向上,这种分辨才有可能。

地球包括表层的岩石和地球深部物质,都不是完全的弹性体,但是地震波的传播速度很大,波动给介质带来的应力和应变是瞬时的,能量的消耗很小,此可以近似地把地震波看作弹性波。
从震源发出的波动有两种成分: 振动方向与传播方向一致的纵波振动方向与传播方向垂直的横波。纵波的传播速度较快,在远离震源的地方纵波先到,横波次之。除体波外,还存在表面波,传播速度比体波慢,比体波晚到,但振幅往往很大,振动周期较长。

