新型压电复合换能器及其应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:科学

作者:李邓化等

出品人:

页数:176

译者:

出版时间:2007-1

价格:30.00元

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isbn号码:9787030191137

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经典力学：从牛顿到拉格朗日 本书简介 一、绪论：力学体系的演进与现代物理的基石 本书旨在为读者提供一个全面、深入且富有洞察力的经典力学导论。经典力学，作为描述宏观世界运动规律的物理学分支，是整个现代物理学的理论基础，其影响渗透到工程、材料科学、天体物理乃至量子场论的构建之中。我们并非仅仅停留在对牛顿运动定律的机械重复，而是着眼于其思想的深度、数学框架的优雅性以及在不同物理情境下的普适性。 本章首先追溯了力学思想的源头，从亚里士多德的定性描述到伽利略的实验哲学，重点剖析了艾萨克·牛顿如何通过其三大定律和万有引力定律，构建起第一个完备的宏观动力学体系。我们将详细阐述这种“矢量”和“绝对时空”观点的划时代意义，以及它在行星运动、抛体运动等基础问题上的成功应用。然而，我们也必须认识到牛顿体系的局限性——特别是当处理复杂约束系统或需要更高层次抽象时。因此，本章的收尾将引出寻求更本质、更具系统论视角的理论工具的必要性，从而自然地过渡到分析力学。 二、质点动力学与守恒定律 质点（或称质点系）是力学分析的基本抽象单元。本章将系统梳理牛顿定律在不同参考系下的应用，特别是惯性系与非惯性系（如旋转参考系和加速参考系）的辨析。在非惯性系中引入惯性力（如科里奥利力和离心力）的机制，是理解地球物理现象（如台风的形成、钟摆的摆动）的关键。 核心部分将聚焦于能量、动量和角动量这三大基本守恒量。守恒定律是物理学中最深刻的原理之一，它们独立于具体的力学方程解法，体现了时空对称性的内在要求（诺特定理的初步应用）。我们将深入探讨： 1. 功与动能定理： 动能的定义、保守力场中的势能概念，以及系统在力场中运动时的能量转化。 2. 线性动量守恒： 适用于碰撞、爆炸等系统间相互作用过程的分析。 3. 角动量守恒： 对转动系统的定量描述，在天体力学和陀螺仪稳定分析中的核心地位。 通过大量的实例分析，包括弹道学基础和简单的行星轨道计算（开普勒定律的牛顿力学推导），读者将掌握利用守恒原理简化复杂问题的技巧。 三、约束系统与拉格朗日力学：分析力学的基石 经典力学的真正飞跃在于分析力学的建立。本章将系统地介绍如何处理包含复杂约束的系统，这是牛顿力学在代数表达上显得繁琐之处。 首先，我们将清晰定义“完整约束”与“非完整约束”，并引入广义坐标的概念。广义坐标使得我们能够用最少的独立参数来描述系统的构型，从而自动地消除了约束力，使问题分析的焦点从“力”转移到“能量”和“运动趋势”。 核心内容是达朗贝尔原理。该原理将动力学问题转化为静力学问题，是连接牛顿方法与更高级变分原理的桥梁。在此基础上，我们将推导出拉格朗日方程： $$ frac{d}{dt}left(frac{partial L}{partial dot{q}_i} ight) - frac{partial L}{partial q_i} = 0 $$ 其中 $L = T - V$ 是拉格朗日量（动能 $T$ 减去势能 $V$）。本书将以大量篇幅阐释如何构造拉格朗日量，并利用拉格朗日方程求解常见的物理系统，如单摆、双摆（定性）、耦合振子系统和有固定轴的刚体转动。通过拉格朗日力学，我们将看到，物理定律的数学表达形式（拉格朗日量）是独立于我们选择的坐标系的。 四、拉格朗日力学的高级主题：守恒量与循环坐标 拉格朗日力学体系的优越性在于其结构天然地揭示了守恒量的来源。本章深入探讨循环坐标（或称“可忽略坐标”）的概念。如果系统的拉格朗日量 $L$ 不显含某个广义坐标 $q_k$（即 $partial L / partial q_k = 0$），则对应的广义动量 $p_k = partial L / partial dot{q}_k$ 必然守恒。 我们将证明：循环坐标对应的守恒量恰好是牛顿力学中的守恒量（动量、角动量等），但拉格朗日框架揭示了它们是时空对称性的直接后果。 对称性与守恒律（诺特定理的深入探讨）： 明确阐述时空平移不变性对应于线性动量守恒，时间平移不变性对应于能量守恒，空间旋转不变性对应于角动量守恒。 准坐标与约束力的处理： 讨论在特定情况下如何使用准坐标来简化含有非完整约束的系统。 本章通过对中心力问题（如行星绕日运动）的拉格朗日分析，展示了该理论框架在简化问题复杂性上的强大能力。 五、哈密顿力学：相空间与正则变换 哈密顿力学是对拉格朗日力学的进一步升华，它将经典力学提升到了一个与量子力学在数学形式上高度一致的层面。哈密顿力学将系统的描述从 $(q, dot{q})$ 空间转移到了相空间 $(q, p)$ 空间，其中 $p$ 是与广义坐标 $q$ 共轭的广义动量。 核心推导是勒让德变换，它导出了哈密顿量 $H(q, p, t) = sum_i p_i dot{q}_i - L$。在保守系统中，哈密顿量即为系统的总能量。 本章的关键内容包括： 1. 哈密顿正则方程： $$ dot{q}_i = frac{partial H}{partial p_i}, quad dot{p}_i = -frac{partial H}{partial q_i} $$ 这两个一阶微分方程组取代了拉格朗日方程的二阶形式，是相空间动力学的基础。 2. 泊松括号： 引入泊松括号 ${F, G}$ 作为描述相空间中任意两个函数演化规律的工具。该结构是连接经典力学与量子力学的直接桥梁。 3. 正则变换： 讨论坐标和动量如何通过保持泊松括号结构不变的变换（如生成函数）进行转化。正则变换是寻找守恒量和求解复杂哈密顿量的核心技术。 六、刚体动力学与欧拉方程 本书的最后一部分将经典力学应用于具有内禀结构和空间取向的物体——刚体。刚体运动可以分解为质心平移和绕质心转动两部分。 1. 转动惯量张量： 对刚体转动特性的精确描述，引入惯性主轴和主惯性矩的概念，以及惯性椭球。 2. 欧拉角： 用于描述刚体在空间中任意取向的三个独立角度参数。 3. 欧拉刚体运动方程： 基于牛顿-欧拉方程，推导出描述绕固定点的刚体定点转动（如陀螺）的运动方程。本书将特别关注陀螺进动和章动的物理图像及其数学解法，这些是理解陀螺仪稳定性的基础。 总结 本书从牛顿的直观物理图像出发，通过拉格朗日和哈密顿的分析力学框架，系统地展示了经典力学如何从描述物体运动的现象，上升到描述物理系统内在对称性和能量结构的高度。最终，读者不仅能解决力学问题，更能理解支配这些问题的深刻数学原理。这是一部为深入研究物理学、应用数学和工程力学打下坚实基础的专著。

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翻开这本书，首先映入眼帘的是序言，作者深情地回顾了压电材料研究的发展历程，从最初的发现到如今的百花齐放，字里行间流露出对这一领域的深厚感情和执着追求。这段序言不仅仅是对全书内容的铺垫，更像是一次思想的启迪，它让我看到了压电技术背后蕴含的巨大潜力，也为接下来的深度阅读奠定了情感基础。随后，书中非常系统地介绍了压电复合换能器的基本原理。我尤其欣赏作者在讲解过程中，没有过多地使用晦涩难懂的数学公式，而是更多地通过直观的图示和生动的比喻来阐述复杂的概念。例如，在解释压电效应时，作者巧妙地将原子层面的形变与宏观电信号的产生联系起来，使得即使是初学者也能快速理解其核心机制。对于“复合”的概念，书中更是花了大量的篇幅进行阐述，详细介绍了不同压电材料（如陶瓷、聚合物、单晶等）与其他材料（如金属、纤维、纳米材料等）的组合方式，以及这些复合结构如何协同作用，实现性能的飞跃。我非常关注书中对不同复合材料体系的分类和对比分析，希望能够了解它们各自的优缺点、适用场景以及在性能提升方面的主要贡献。例如，不同取向的压电陶瓷颗粒与聚合物基体的界面结合特性，对换能器的整体电声耦合系数、带宽以及可靠性会产生怎样的影响？这些都是我非常感兴趣的细节。书中在讲解原理时，穿插了一些历史上的经典实验和重要的科学发现，这不仅增加了阅读的趣味性，也让我对压电复合换能器技术的发展脉络有了更清晰的认识。

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书中在探讨新型压电复合换能器的材料设计方面，展现了令人惊叹的创造力和深度。我特别被书中介绍的“纳米结构压电复合材料”部分所吸引。作者没有停留在传统的块体材料层面，而是深入到纳米尺度，探讨了如何通过控制压电纳米颗粒的尺寸、形貌以及排列方式，来调控其压电性能。例如，对于压电纳米线的取向生长、纳米颗粒在聚合物基体中的分散均匀性以及它们之间的界面工程，书中都进行了非常细致的分析。这些纳米结构的设计，不仅可能带来更高的压电系数和更强的能量转化效率，而且还能显著拓宽换能器的应用带宽，使其能够响应更宽范围的频率信号。我希望书中能够详细阐述这些纳米结构的设计原理、制备工艺（如水热法、溶胶凝胶法、模板法等）以及表征手段，并结合具体的实验数据，证明这些纳米结构带来的性能提升。此外，书中还介绍了一些新型的复合结构，例如“多层压电复合换能器”和“层压压电复合换能器”。这些结构通过巧妙的堆叠和集成，能够实现更高的输出力或更强的灵敏度，这对于需要高功率输出的驱动应用或者极低信号检测的传感应用来说，具有极其重要的意义。我对书中关于如何优化多层结构的设计参数，例如层厚、电极材料和连接方式，以获得最佳的性能表现非常感兴趣，并期待书中能够提供相关的设计指南和优化策略。

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本书在讲解压电复合换能器的工作机理时，特别注重理论与实际的结合，这一点让我印象深刻。例如，在描述压电效应的本构方程时，作者并没有止步于理论公式的推导，而是花了很大的篇幅来解释这些方程中各个参数的物理意义，以及它们如何受到材料的微观结构、宏观形变和电场激励的影响。书中通过大量的仿真结果和实验数据，直观地展示了这些参数变化对换能器性能的影响。我特别欣赏书中对“损耗”机制的深入分析，包括介电损耗、机电损耗和声学损耗等，以及作者提出的多种抑制损耗的复合材料设计策略。这对于提高换能器的能量转化效率和延长其使用寿命至关重要。此外，书中还详细介绍了多种压电复合换能器的制备技术，从传统的固相反应法、溶胶凝胶法，到更先进的薄膜沉积技术、3D打印技术等，并对各种技术的优缺点、适用范围以及工艺参数进行了详细的阐述。我特别关注书中在制备过程中如何控制材料的界面质量和宏观形貌，以及这些因素如何影响最终换能器的性能。例如，在制备多层压电陶瓷/聚合物复合材料时，层间界面的粘结强度和均匀性，对换能器的整体可靠性有什么影响？这些都是我希望能从书中找到答案的。

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在阅读完关于“新型压电复合换能器”的理论介绍和应用分析后，我发现本书在结构组织上也做得非常出色。书中并没有采用一种生硬的、纯粹的学术报告风格，而是将复杂的科学原理融入到生动的故事和鲜活的案例中。例如，在介绍压电陶瓷与聚合物复合材料时，作者会先讲述这种复合材料在早期研究中遇到的挑战，然后再逐步揭示新型复合结构如何克服这些挑战，并取得突破性的进展。这种叙事方式极大地增强了阅读的吸引力，让我能够更容易地理解和记住书中的知识点。我特别喜欢书中在每个章节的结尾，都设置了“总结与展望”部分，这不仅帮助我巩固了本章的学习内容，也让我对该领域未来的发展趋势有了更清晰的认识。此外，书中在参考文献部分，引用了大量国内外最新的研究文献，这为我进一步深入学习提供了宝贵的线索。总而言之，本书在内容深度、理论严谨性和可读性方面都达到了很高的水平，无疑是一本值得反复阅读和深入钻研的专业书籍。

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令我印象深刻的是，本书在关于“压电复合换能器的可靠性与寿命预测”这一部分，进行了非常详尽的论述。这对于任何一个工程师或者科研人员来说，都是至关重要的。压电材料在长期使用过程中，会受到多种因素的影响，例如机械应力、温度变化、电化学腐蚀等，这些都会导致其性能的衰减甚至失效。书中不仅分析了导致压电复合换能器失效的各种机制，例如裂纹扩展、界面脱层、压电极化衰退等，还介绍了一系列先进的评估和预测方法。我特别关注书中如何利用加速寿命试验，来模拟换能器在实际使用环境中的老化过程，以及如何利用统计模型，来预测换能器的寿命。书中提供的详细的实验数据和分析方法，对于我们进行产品的设计和质量控制具有极大的指导意义。此外，书中还探讨了如何通过优化材料的微观结构和界面设计，来提高换能器的内在可靠性，并减少外部环境对性能的影响。这些方面的深入探讨，让我对压电复合换能器的实际工程应用有了更全面和深刻的认识，也更加坚信这本书在相关领域的研究和应用中，具有非常重要的参考价值。

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这本书的封面设计非常简洁大气，那深邃的蓝色背景配上银色的书名，透着一种科技感和专业感，很容易吸引到我这种对新材料和前沿技术感兴趣的读者。书名“新型压电复合换能器及其应用”本身就足够吸引人，它点出了核心技术——压电复合换能器，并且强调了“新型”二字，这预示着书中可能包含了最新的研究成果和突破性的技术进展。压电材料在现代科技中扮演着越来越重要的角色，从传感器、执行器到能量收集，应用领域非常广泛。而“复合”二字则暗示了材料的创新性，可能是在传统压电材料的基础上，通过复合技术获得了更优越的性能，例如更高的灵敏度、更宽的工作频率范围、更强的能量转化效率，或者更低的损耗。这些都让我对书中可能探讨的具体材料构成、制备工艺以及性能优化方法充满了好奇。我非常期待书中能够详细介绍这些新型复合材料的微观结构、宏观性能以及它们是如何通过巧妙的设计来实现这些突破的。同时，“及其应用”更是为这本书增添了实际价值，它不仅仅是理论研究的堆砌，更关注技术的落地和产业化。无论是医疗领域的超声成像，还是工业领域的无损检测，亦或是消费电子产品的触觉反馈，甚至是新能源领域的能量收集，都可能成为书中探讨的应用方向。我希望书中能够通过丰富的案例分析，生动地展现压电复合换能器在这些领域中的具体实现方式、技术优势以及面临的挑战，从而为相关行业的工程师和科研人员提供宝贵的参考和启示。总而言之，这本书的定位非常精准，内容具有很强的吸引力和实用性，无疑是一本值得深入阅读的专业书籍。

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读完关于“新型压电复合换能器”的材料制备和性能表征部分，我不得不惊叹于作者在实验设计和数据分析方面的严谨性。书中详细介绍了多种表征技术，例如扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）用于观察材料微观形貌和界面结构；X射线衍射（XRD）用于分析晶体结构和取向；激光多普勒测振仪（LDV）用于测量换能器的振动响应；阻抗分析仪用于测量换能器的电学参数和评估机电耦合系数等。我非常欣赏书中不仅给出了这些表征结果，更重要的是对结果进行了深入的解读，并将其与理论模型和设计目标联系起来。例如，当SEM图显示纳米颗粒在聚合物基体中分布不均时，书中会结合阻抗分析的结果，解释这种不均匀性可能导致的压电系数下降或性能不稳定。书中还展示了如何通过改变实验条件，例如温度、湿度、应力等，来评估换能器在不同环境下的稳定性。这些详细的实验数据和分析过程，不仅让我对压电复合换能器的性能有了更直观的认识，也为我进行相关的实验研究提供了宝贵的参考。特别是书中关于如何进行灵敏度和带宽的精确测量，以及如何评估换能器的疲劳寿命和可靠性，都让我受益匪浅。

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关于“应用”的部分，这本书确实给我带来了耳目一新的感觉，它不仅仅是简单地列举了几个应用场景，而是深入剖析了压电复合换能器在各个领域的核心作用和技术优势。在医疗影像领域，书中详细介绍了新型压电复合换能器在超声诊断设备中的应用。我特别关注书中关于如何通过优化换能器的频率响应和声阻抗匹配，来提高超声图像的分辨率和信噪比的讨论。例如，新型复合材料的低声衰减特性，是否能够实现更深层次的组织成像？而其宽带宽特性，又能否支持更高频率的成像，从而获得更精细的解剖结构信息？书中对这些问题的探讨，以及相关的实验案例，都让我对压电技术在医疗领域的未来发展充满了期待。在能量收集领域，书中则展示了压电复合换能器在捕获环境振动能方面的巨大潜力。我非常好奇书中是如何通过设计特殊的结构，例如利用谐振效应来最大化能量捕获效率的。对于如何将捕获的机械能高效地转化为电能，以及如何进一步储能或直接供电，书中是否提供了相关的电路设计和能量管理策略？这些都是我在阅读过程中特别关注的实际问题，希望能从中获得一些启发。书中还提到了在工业监测、智能交通等领域的应用，这些章节都让我对压电复合换能器的广泛适用性有了更深刻的认识。

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本书在探讨压电复合换能器的应用时，特别注重与实际工程需求的对接，这一点让我觉得非常有价值。例如，在医疗领域的超声换能器部分，书中不仅介绍了材料的选择和结构设计，还深入探讨了如何通过优化换能器的声学性能，来实现高分辨率、高信噪比的成像。我特别关注书中关于如何利用新型压电复合材料的低声衰减特性，来提高穿透深度，以及如何通过宽带宽设计，来同时实现高频成像和低频穿透。此外，书中还提及了在生物力学传感、药物输送等方面的潜在应用，这些都展现了压电技术在医疗健康领域的广阔前景。在工业监测领域，书中则详细介绍了如何利用压电复合换能器进行结构健康监测、故障诊断等。例如，如何通过监测设备的振动信号，来早期发现潜在的故障？如何利用压电换能器作为激励源，进行无损检测？书中对这些问题的解答，以及相关的实验案例，都让我对压电技术在提高工业生产效率和安全性方面的作用有了更深刻的认识。我也希望书中能够提供更多关于如何将压电复合换能器集成到实际工业系统中的设计考虑和实施方案。

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我特别欣赏本书在介绍新型压电复合换能器时，所展现出的前瞻性和创新性。例如，书中探讨了如何将压电材料与人工智能（AI）技术相结合，以实现智能化的换能器设计和性能优化。我非常好奇书中是如何利用机器学习算法，来预测材料的压电性能，或者如何通过AI来优化换能器的结构参数，以达到最佳的性能指标。这种跨学科的融合，无疑为压电复合换能器的发展开辟了新的道路。此外，书中还介绍了“压电复合能量收集器”在可穿戴设备、物联网（IoT）传感器等领域的应用。我希望书中能够详细阐述如何通过设计高效的压电复合结构，来捕获环境中的微弱振动能，并将其转化为电能，以实现设备的自供电。这对于解决当前能源供应的挑战，具有重要的现实意义。书中对这些新兴领域的探讨，不仅展现了作者深厚的学术功底，也让我看到了压电复合换能器未来的无限可能。同时，我也希望书中能够提供更多关于如何进行成本效益分析，以及如何推动这些新型技术实现商业化落地的相关信息。

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