埋入混凝土中压电陶瓷圆片声指向性和能量研究.pdf

第 9期 黄 润 ， 陈 雨等： 埋入混凝土中压 电陶瓷圆片声指向性和能量研 究 1 2 7 1 电陶瓷圆片使其辐射超声波 ， 超声波在传播过程中 会携带所经路径上混凝 土内部信息 ， 接 收此超声波 并做分析， 从而实现混凝土结构缺陷及各种性能指 标的检测 。 在基于压电埋入式敏感模块的超声检测方法 中， 超声波作为混凝土健康状态信息的载体， 需要有 集中的声指向性和较高 的声辐射能量 ， 这有利 于提 高超声检测的有效距离和精度， 而声指向性和能量 与激励频率相关 ， 压 电陶瓷 圆片声辐射平 面振动而 辐射声波 ， 不同的激励频率又将激发声辐射 面不 同 的振动模态 ， 因此 ， 研究在埋入条件下压 电陶瓷激励 频率和振动模态对声指 向性和能量 的影响 ， 找到能 激发埋人混凝土 中压 电陶瓷 圆片辐射超声 波能量 高 、 指向性集 中的频率有着重要的理论和工程意义。 1 压 电埋入式混凝 土敏感模块 在压电陶瓷圆片的两极焊接上电缆线作为信号 线 ， 并在其表面包裹厚 1 mm的橡胶层 ， 从而制作成 压电敏感元件( 直径 2 6 m m) ， 将压 电敏感元件埋入 调配好的水泥砂浆 中( 压电敏感元件埋在模块中部 i 0 c m处 ) ， 经过 3 0 d的室温养护后制作成压电埋人 式混凝土敏感模块 ， 其 内部结构和实物如图 1 所示 。 元件 ( a ) 压电埋人式混凝土敏感模块内部结构 一 ( b ) 压电敏感兀件 ( c ) 压电埋入式混凝土敏感模块 图 1 压 电埋入 式混凝土敏 感模块 内部结构和 实物 压 电陶瓷圆片表面的橡胶层可以起到 的作用 ： 橡胶层的绝缘性可以避免压电陶瓷圆片两极直接 接触混凝土( ? 昆 凝土的导电性 ) 而短路 ， 无法辐射超 声波 ； 橡胶层 良好 的压缩性使得压 电陶瓷圆片有 较好的振动空间 ， 减小混凝土夹持力对其振 动模态 的影响 ， 从而将埋人混凝土 中的压 电陶瓷圆片振动 模态看成其在 自由状态下振动模态 ； 橡胶层 良好 的 压缩性还避免了混凝土凝 固过程中收缩应力损伤压 电陶瓷圆片。 2 激励频率与声指 向性理论 由于超声检测所 涉及的声 场范 围一般在远场 区 ， 本文对声场指 向性 的研究也 只在远场区。将 压电陶瓷圆片沿其平面轴向振动看作理想活塞声 源 ， 其平面上每一点等效为单一点声源 ， 且各点以相 同的振幅作简谐振动， 同时辐射出声波 ， 超声波在介 质中传播过程中， 将形成具有一定指向性的声场， 并 可用声场指向性函数描述， 对于发射响应而言， 指向 性 函数是描述 辐射声场 (自由远场) 的空问分布 函 数 J 。归一化的指 向性函数为_ 8 叩 = = l i 式 中， 0为方位角， ( ， 为声波 圆频率 ( 与激励频率相 关) ， P为等效各点声源在声场中某点叠加的声压 值， P 。 为主波束轴心方向上( 0 = 0 ) 的声压值， I， 为一阶贝塞尔函数 ， = w c 。 为波数 ， C 。 为超声波在 介质中传播的速度 ， 尺为声源半径。 在指 向性 函数 中， 对某一平面活塞声源 ， 当方位 角 0确定后 ， 声场指 向性受激励频率的影响， 随着对 活塞声源激励频率 的增加 ， 辐射到混凝土 中的超声 波声场指向性越集 中 j 。超 声波是 由于压 电陶瓷 圆片声辐射平面振动而产生， 因此对于埋人混凝土 中的压电陶瓷 圆片， 研究频率与声场指 向性和能量 的关系 ， 需进一步研究在某激励频率下 ， 压电陶瓷圆 片声辐射面 的振动模态对声 场指 向性和能量 的影 响 ， 据此验证理论结果的合理性 ， 并找到能激励压电 陶瓷圆片辐射的超声波声场指 向性集中、 能量高 的 频率。 3 压 电陶瓷圆片有 限元模态分析 压 电陶瓷圆片模态分析可确定其各阶模态振型 及相应的固有频率 ， 直接观察 到压 电陶瓷声辐射平 面的振动情况 ， 找到影响声指向性和能量的原因； 并 且在各阶固有频率处压电陶瓷圆片辐射声能量将达 到一个极值点。典型的无阻尼模态分析求解 的基本 方程是经典的特征值问题l j “ J ： K = M ( 6 ) 式中各符号的含义： ： 刚度矩阵； ： 第 i 阶模 态的振型向量； ： 质量矩阵； 0 3 ： 第 i 阶模态的固 有频率。 图2 所示为利用 A n s y s 软件仿真获得的压电陶 瓷圆片一阶到四阶模态振型 图， 表 1所示 为前四阶 固有频率和振型描述。 1 2 72 传感技术学报 W W W c h i n a t r a n s d u c e r s e O IT I 第 2 4卷 州 _ t山 ( c ) 三阶振动模态 ( d ) 四阶振动模态 图 2压 电陶瓷 圆片的模 态振型 图 表 1 自由状态下压电陶瓷圆片前四阶固有频率和振型描述 阶数频率 H z最大位移 振型描述 在理论探讨 中把压电陶瓷圆片看作理想活塞声 源， 其声辐射平面上等效各点声源有相同的振幅， 但 如图 2模态振型和表 1 模态描述所示 ， 压电陶瓷 圆 片各 阶振动模态不相 同， 并且声辐射平面上存在振 幅极大值点 ， 在二阶和四阶振动模态 中有几个 振幅 极大区域分散在压 电陶瓷圆片边缘部分 。 4 压 电陶瓷 圆片辐射声指 向性和能量 试验中制作了三组相同的压电埋人式混凝土敏 感模块 。超声波声场指向性和能量实验测试系统如 图3 所示， 函数信号发生器发出一定频率的脉冲波， 脉冲波被分成两路， 一路作为触发信号触发示波器 采集数据， 另一路激励埋人混凝土中的压电陶瓷圆 片 ， 使其发射超声波， 超声波经过混凝土后被压 电超 声换能器接收， 并经过滤波、 取均值后被显示和 记 录 。 图 3 试验 测 试 系统原 理 框 图 在实验中， 在离压电敏感元件 1 0 e m处端面内 布置了 9个、? 贝 4 点 ( A， B ， B ， B ， ， B ， C ， C ， C ， C ) ， 测点分布如图4所示。由于埋人混凝土中的压电陶 瓷圆片各阶固有频率与其在 自由状态下相 同u 1 引， 利 用接收型压电超声换能器测量了在各阶固有频率下 各测点的电压值， 并在每个频率下取在三组模块上 相同位置测点测得三个数据的平均值( 单位 m V ) ， 如表 2所示。在一阶固有频 率下 ， 主波束轴心位置 电压值最大 ， 即该点的声能最大 ； 而在模 态分析 中， 一 阶振动模态下， 压电陶瓷圆片声辐射平面振幅最 大值区域最宽， 且集中在中心位置， 从而声辐射能量 最大 ， 而在二阶到 四阶固有频率下 ， 振动位移极大值 区域都相对较小且分散 ， 因此辐射能量小 。 图 4 测点分布示意 图 表2 各阶固有频率下各测点电压幅值 一 一 一 第 9期 黄润， 陈 雨等 ： 埋入混凝土中压 电陶瓷圆片声指向性和能量研 究 1 2 7 3 由于某测点的电压值与声压值呈线性关系 13 ， 并根据归一化声场指 向性 函数定义 ， 计算并绘制 了 各阶固有频率下声场指向性对比曲线图( 由于声场 的对称性， 取 A， B ， B ， c ， c 值对比) ， 如图5所 示。在一 阶和三阶模态分析 中， 声辐射平面最大振 幅区域都集中在中心位置 ， 并在实验 中， 随着激励频 率的增加 ， 声场指向性更集中； 在 四阶与二阶固有频 率下 ， 由于声辐射面振幅极大值区变得分散， 即使随 着频率增加 ， 声场指 向性也变得发散。这说 明不同 激励频率引起的压 电陶瓷圆片不同的振动模态对声 场指 向性有影响。理论 中将声源振动面等效为振幅 相等的单一点声源 的叠加所得随着频率 的增加 ， 声 场指向性越集 中的结论与实际偏 差较大 ， 需 考虑振 动模态对声场指向性的影响 。 图 5 各阶 固有频率下声指 向性对 比曲线 图 如图6所示， 压电陶瓷圆片各阶固有频率下理 论与实验声场指 向性对 比图。由图分析可得 ， 由于 将压电陶瓷圆片声辐射面等效为振幅相等的单一点 声源的叠加 ， 忽略各 阶振动模态下振幅极大值 区域 的集中程度， 使得声场指向性理论结果比实验结果 发散， 只有在四阶模态下， 振幅极大值区域分散在压 电陶瓷圆片边缘八个区域时 ， 其声场指 向性理论值 才与实验值的基本一致 。 测点位置 ( a ) f l = 1 0 3 4 1 9 H 测点位置 f b ) f 2 = 2 1 5 8 9 0 Hz 测点位置 测点位置 ( c ) f 3 = 2 9 3 1 8 0 Hz( d ) f 4 = 3 8 9 0 4 0 Hz 图6 各阶固有频率下理论与实验分析声指向性对比图 结合分析表 2和图5所示， 三阶固有频率下声 场指向性最集中， 但声辐射能量比一阶固有频率下 小 ， 二阶和四阶固有频率下声辐射能量也 比一阶小 ， 并且声指向性也 比一阶略微发散 ， 因此， 综合考虑声 指 向性和能量 ， 在一 阶固有频率下压 电陶瓷 圆片辐 射声波具有最大的声能和较集中的声指向性， 更适 用于超声检测 。 5 结论 通过有 限元模态分析 ， 得到了埋人混凝土 中压 电陶瓷圆片一阶到四阶的振动模态及其固有频率， 发现压电陶瓷圆片声辐射平面具有振幅极大值区 域 ， 并且不同振动模态下 ， 极大值 区域分布不 同， 这 与声场指向性理论中将压电陶瓷圆片声辐射面等效 为有相 同振幅的单一点声 源的叠加不同； 埋人混凝 土中压 电陶瓷圆片在各阶固有频率下声场指向性和 能量实验表 明： 在声场指 向性理论分析 中忽略不 同 频率下压电陶瓷圆片声辐射面振动模态不同， 使得 在各阶固有频率下压电陶瓷圆片辐射声指 向性变化 规律偏离实际较大 ， 而在相同频率下声指向性理论 结果比实验结果发散； 在各阶固有频率下， 压电陶瓷 圆片辐射声指向性集 中， 但在一阶固有频率下声能 最高 ， 因此更适用于超声检测。 参考文献 ： 1 吴慧敏 结构混凝土现场检测新技术混凝土非破损检测 M 湖南 ： 湖南大学 出版社 ， 1 9 9 8 7 2 G u H， S o n g G ， D h o n d e H， e t a 1 E a rl y A g e S t r e n g t h M o n i t o r i n g o f C o n c r e t e S t r u c t u r e s Us i n g Emb e d d e d S ma r t P i e z o e l e c t r i c T r a n s d u c e r s a rt J _ n o 6 1 7 9 0 H A d v a n c e d S e n s o r T e c h n o l o g i e s f o r No n d e s t r u c t i v e E v a l u a t i o n a n d S t ruc t u r a l He a l t h Mo n it o r i n g II 61 7 9： H1 7 9 0 一H1 7 9 0， 2 0 0 6 3 We n Y， L i P， H u a n g S S t u d y o n t h e R e a d o u t o f P i e z o e l e c t ri c D i s t ri b u t e d S e n s i n g Ne t w o r k E m b e d d e d i n C o n c r e t e J S HE， 1 9 9 8， 3 3 0： 6 4 2 -6 7 1 4 田卉 ， 文玉梅 ， 李平 ， 等 埋人混凝土结 构中的 P Z T压电陶瓷温 度特性研究 J 传感技术学报， 2 0 0 7 ， 2 0 ( 9 ) ： 1 9 7 7 1 9 8 2 5 C h e n Y， We n Y， L i P C h a r a c t e ri z a t i o n o f C o n c r e t e S t r e s s b y Me a s u rin g Di s s i p a t i o n F a c t o rs o f Emb e d d e d P i e z o e l e c t ri c Ce r a mi c D i s c J P r o c e e d i n g s of S P I E： S e n s o rs a n d S ma r t S t r u c t u r e s T e c h n o l o g i e s f o r C i v i l ，Me c h a n i c a l a n d Ae r o s p a c e S y s t e ms ， S a n t i a g o ， U S， Ma r c h， 2 0 0 5， 5 7 6 5： 3 0 41 6 安占营 基于压电埋人式模块的 昆 凝土声检测研究 D 重庆 大学 ， 2 0 1 0 4 7 吴新璇 混凝土无损检测技术手册 M 北京： 人民交通出版 社 ， 2 0 0 3 1 8 杜功焕， 朱哲民， 龚秀芬 声学基础 M 南京： 南京大学出版 社 ， 2 0 0 1 8 9 B A奥尔特， 著 孙承平， 泽 固体中的声场和波 M 北京 科 1 2 7 4 传感技术学报 W W W c h i n a t r a n s d u c e r s c o rn 第 2 4卷 学出版社 ， 1 9 8 2 1 2 1 0任重 A N S Y S实 用 分析 教 程 M 北京 ： 北 京 大 学 出版 社 ， 2 o o 3 2 1 1 姜德义 ， 郑 拯宇， 李林 ， 等 压 电陶瓷 片耦 合振 动模态 的 A n s y s 模拟分析 J 传感技术学报 ， 2 0 0 3 ， 1 2 ( 4 ) ： 4 5 2 4 5 6 黄润( 1 9 8 4 一 ) ， 男， 四川省南溪县人， 硕士研究生。2 0 0 8年 9月进入重庆大 学光电工程学院信息获取与仪器系统 研究室从事研究工作 ， 主要研究方向 为信息获取与处理、 结构健康监测系 统 ， h u a n g r u n 7 1 2 1 6 3 c o m； 1 2 We n Y ， C h e n Y ， L i P C h a r a c t e ri z a t i o n o f P Z T C e r a m i c T r a n s d u c e r E mb e d d e d i n C o n c r e t e J S e n s o r s A c t u a t o r s ： A P h y s i c a l ， 2 0 0 6， 1 2 8 ( 1 ) ： 1 1 6 1 2 4 1 3 美国无损检测学会 美国无损检测手册： 超声卷 M 北京： 世 界 图书出版公司北京公 司 ， 1 9 9 6 1 陈雨( 1 9 7 6 一 ) ， 男， 副教授 ， 硕士研究 生导师。2 0 0 6年获重庆大学光电工程 学院仪器科学与技术专业博士学位， 2 0 0 6 -2 0 0 9年在重庆大学任教， 2 0 0 9 年至今工 作于四川大学电子信息学 院。主要研究方向为结构健康监测、 混凝土压电机敏结构、 压电传感器。