埋入混凝土中压电陶瓷圆片声指向性和能量研究.pdf
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1、 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
2、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
3、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
4、 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
5、 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
6、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
7、。 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
8、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
9、 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
10、 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
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