基于壓電晶片的超聲導(dǎo)波激發(fā)特性試驗(yàn)

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1、基于壓電晶片的超聲導(dǎo)波激發(fā)特性試驗(yàn)李鴻源,徐鴻華北電力大學(xué)能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院,北京摘要使用超聲導(dǎo)波進(jìn)行無損檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)側(cè)的重要手段,但是其多模態(tài)特性會(huì)增加損傷信號(hào)提取難度,因此需要在激發(fā)時(shí)盡可能激勵(lì)單一模態(tài)。使用粘貼于結(jié)構(gòu)表面的壓電晶片激發(fā)和接收超聲導(dǎo)波,通過多種尺寸晶片在不同結(jié)構(gòu)厚度下的導(dǎo)波試驗(yàn),對(duì)導(dǎo)波各模態(tài)的激發(fā)特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明附著于結(jié)構(gòu)表面的壓電晶片不但可激發(fā)烏模態(tài),同時(shí)也可激發(fā)出入,模態(tài)為了有效抑制戊模態(tài)的幅值,激發(fā)晶片的直徑需要大于模態(tài)的波長。關(guān)鍵詞超聲導(dǎo)波模態(tài)激發(fā)壓電晶片結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中圖分類號(hào)文獻(xiàn)標(biāo)志碼文章編號(hào)一一一兮,,,,,忱獻(xiàn),館一侖,凡八,池對(duì)結(jié)構(gòu)

2、部件的完整性進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估是保發(fā)單一選定模態(tài)。證部件安全服役的重要方法,在航空航天、石油化等使用可調(diào)角度超聲波探頭在板中激工、能源電力、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域具有重要意義。超聲發(fā)超聲導(dǎo)波'〕,劉增華等使用斜探頭在管道中激勵(lì)導(dǎo)波具有傳播距離長、衰減小等特點(diǎn),是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)健超聲導(dǎo)波川。根據(jù)定理,使用斜探頭改變康監(jiān)測(cè),的重人射角,可以激發(fā)特定的模態(tài),實(shí)現(xiàn)單模態(tài)激發(fā)但要手段。除具有上述優(yōu)點(diǎn)外,超聲導(dǎo)波還具有多模是斜探頭體積和重量均較大,不適合在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用。態(tài)的特點(diǎn),即同一頻率下同時(shí)存在多種可傳播模態(tài)。叉指換能器通過調(diào)整指間間距也可實(shí)現(xiàn)特定模態(tài)導(dǎo)這將使得真正表征損傷的特征信號(hào)難以識(shí)別。因此波激發(fā)〔一,但

3、是由于其叉指結(jié)構(gòu),激發(fā)的導(dǎo)波信號(hào)需要在激發(fā)超聲導(dǎo)波時(shí)盡可能抑制其它模態(tài),只激通常具有方向性,無法對(duì)各個(gè)方向同時(shí)檢測(cè)。電磁聲換能器也可激發(fā)超聲導(dǎo)波,一〕,其通過收稿日期一一力或磁致伸縮力將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成應(yīng)力波,通過調(diào)整基金項(xiàng)目國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目國家自然科磁場(chǎng)和電流方向,可以實(shí)現(xiàn)特定模態(tài)激發(fā),特別是可學(xué)基金和神華集團(tuán)有限公司聯(lián)合資助項(xiàng)目中央高?；缘玫狡渌绞捷^難激發(fā)的波'。爪但是電磁聲本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低,需要較高激發(fā)能量,因此換能器作者簡(jiǎn)介李鴻源一,男,博士研究生,主要研究方向?yàn)殡娬驹O(shè)備無損檢測(cè)方向。和激發(fā)設(shè)備體積較大,同時(shí)此種激發(fā)方式要求被檢年第卷第期部件為

4、金屬材料,無法檢測(cè)復(fù)合材料。壓電晶片可以將電信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成應(yīng)力振動(dòng),體積小、質(zhì)量小,互,。既可以在金屬中激發(fā)超聲導(dǎo)波〔`'一`〕,也可以在復(fù)合卜側(cè)瑕能︶、日拜、…材料等非金屬中激發(fā)超聲導(dǎo)波〔`一'〕,適于結(jié)構(gòu)健康,廠'一江··監(jiān)測(cè)應(yīng)用仁'一'〕,是目前研究熱點(diǎn)。等采用在被'檢板正反雙面對(duì)稱布置壓電晶片的方式激發(fā)超聲導(dǎo)波,當(dāng)兩傳感器同相激發(fā)時(shí)可產(chǎn)生對(duì)稱模態(tài),反相激發(fā)時(shí)可產(chǎn)生非對(duì)稱模態(tài)〔'〕。但由于此種方法需要頻厚稠·雙面布置傳感器,限制了其應(yīng)用范圍。圖鋼板中波頻散曲線等采用單面布置薄壓電晶片的方式激發(fā)超聲導(dǎo)一,波一側(cè),通過調(diào)整激發(fā)頻率可以激發(fā)氏模態(tài)。單一導(dǎo)波模態(tài)。單面粘貼于表面的壓電陶瓷晶

5、片方法,相對(duì)于其他導(dǎo)波激發(fā)方式,具有質(zhì)量輕、實(shí)施方便的特點(diǎn),試驗(yàn)研究因此很適合應(yīng)用。但是為實(shí)現(xiàn)單模態(tài)激發(fā),基于壓電轉(zhuǎn)換效應(yīng)及逆壓電轉(zhuǎn)換效應(yīng),粘貼在需要對(duì)此種激發(fā)方式下的各模態(tài)導(dǎo)波的激發(fā)特性有被檢對(duì)象表面薄壓電晶片可以激發(fā)和接收較清晰的了解。通過不同尺寸壓電晶片在不同厚度波。筆者擬通過試驗(yàn),研究不同激發(fā)傳感器尺寸下鋼板中的導(dǎo)波試驗(yàn),研究波各模態(tài)強(qiáng)度與激波各模態(tài)強(qiáng)度與激發(fā)頻率間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。發(fā)頻率間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,以指導(dǎo)最佳傳感器尺寸設(shè)計(jì)試驗(yàn)裝置及激發(fā)頻率選擇,實(shí)現(xiàn)基于壓電晶片的單模態(tài)超聲裝置如圖所示。波激發(fā)信號(hào)由函數(shù)發(fā)導(dǎo)波激發(fā)。生器生成,并直接加載于激發(fā)傳感器上,薄板中的超聲導(dǎo)波傳感器中的壓電晶

6、片通過壓電轉(zhuǎn)換效應(yīng)在板中產(chǎn)生波。接收到的波由一數(shù)據(jù)采集薄板中傳播的超聲導(dǎo)波也稱為波,是由卡采集?？v波和橫波在薄板上下邊界反射、疊加形成的沿薄板傳播的應(yīng)力波。計(jì)算機(jī)自由邊界條件下,各向同性均質(zhì)薄板中波特征方程如下信號(hào)發(fā)生器數(shù)采卡一一“咖閃神戶各七一走,。頭七一走圖試驗(yàn)裝置圖式中,,。分別為平板半壁厚、波波數(shù)和角為了減小信號(hào)頻帶寬度,激發(fā)信號(hào)采用經(jīng)漢寧頻率,為材料中縱波及橫波的波速為初位窗調(diào)制的周期正弦波信號(hào),其表達(dá)如式所示。相,一對(duì)應(yīng)于波對(duì)稱模態(tài),一兀對(duì)應(yīng)于、,月一非對(duì)稱模態(tài)。、、產(chǎn),氣兀于氣乙兀。乙`一對(duì)波特征方程進(jìn)行數(shù)值求解可以獲得式中為中心頻率為信號(hào)幅值,。波頻散曲線,如圖所示。從中

7、可以看出壓電晶片通過導(dǎo)電樹脂膠粘貼在薄板表面。壓波模態(tài)數(shù)目隨頻厚積增加而增加,具有多模電晶片尺寸分別為必和筍態(tài)特點(diǎn)。利用波進(jìn)行損傷檢測(cè)時(shí),為了降低。被檢對(duì)象為薄鋼板,其尺寸分別為多模態(tài)影響,通常選擇低頻區(qū)域模態(tài)截止頻率和以下作為信號(hào)激發(fā)頻率。在此頻率區(qū)間存在兩種。導(dǎo)波模態(tài),。模態(tài)和氏模態(tài)。為了研究鋼板中各導(dǎo)波模態(tài)與頻率關(guān)系,采用超聲導(dǎo)波的多模態(tài)特點(diǎn)增加了信號(hào)分析處理的兩種尺寸壓電晶片針對(duì)兩種厚度鋼板進(jìn)行組試難度,因此需要在激發(fā)時(shí)進(jìn)行