埋入混凝土中压电陶瓷圆片声指向性和能量研究

《埋入混凝土中压电陶瓷圆片声指向性和能量研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

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1271电陶瓷圆片使其辐射超声波，超声波在传播过程中电陶瓷圆片。会携带所经路径上混凝土内部信息，接收此超声波2激励频率与声指向性理论并做分析，从而实现混凝土结构缺陷及各种性能指标的检测。由于超声检测所涉及的声场范围一般在远场在基于压电埋入式敏感模块的超声检测方法区，本文对声场指向性的研究也只在远场区。将中，超声波作为混凝土健康状态信息的载体，需要有压电陶瓷圆片沿其平面轴向振动看作理想活塞声集中的声指向性和较高的声辐射能量，这有利于提源，其平面上每

2、一点等效为单一点声源，且各点以相高超声检测的有效距离和精度，而声指向性和能量同的振幅作简谐振动，同时辐射出声波，超声波在介与激励频率相关，压电陶瓷圆片声辐射平面振动而质中传播过程中，将形成具有一定指向性的声场，并辐射声波，不同的激励频率又将激发声辐射面不同可用声场指向性函数描述，对于发射响应而言，指向的振动模态，因此，研究在埋入条件下压电陶瓷激励性函数是描述辐射声场(自由远场)的空问分布函频率和振动模态对声指向性和能量的影响，找到能数J。归一化的指向性函数为_8激发埋人混凝土中压电陶瓷圆片辐射超声波能量高、

3、指向性集中的频率有着重要的理论和工程意义。叩==li㈩式中，0为方位角，(￡，为声波圆频率(与激励频率相1压电埋入式混凝土敏感模块关)，P为等效各点声源在声场中某点叠加的声压在压电陶瓷圆片的两极焊接上电缆线作为信号值，P。为主波束轴心方向上(0=0)的声压值，I，线，并在其表面包裹厚1mm的橡胶层，从而制作成为一阶贝塞尔函数，=w／c。为波数，C。为超声波在压电敏感元件(直径26mm)，将压电敏感元件埋入介质中传播的速度，尺为声源半径。调配好的水泥砂浆中(压电敏感元件埋在模块中部在指向性函数中，对某一平面活

4、塞声源，当方位i0cm处)，经过30d的室温养护后制作成压电埋人角0确定后，声场指向性受激励频率的影响，随着对式混凝土敏感模块，其内部结构和实物如图1所示。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元件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

5、(a)压电埋人式混凝土敏感模块内部结构频率。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■一面的振动情况，找到影响声指向性和能量的原因；并(b)压电敏感兀件(c)压电埋入式混凝土敏感模块且在各阶固有频率处压电陶瓷圆片辐射声能量将达图1压电埋入式混凝土敏感模块内部结构和实物到一个极值点。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lj“J：压电陶瓷圆片表面的橡胶层可以起到的作用：[K]{}=[M]{}(6)①橡胶层的绝缘性可以避免压电

6、陶瓷圆片两极直接接触混凝土(?昆凝土的导电性)而短路，无法辐射超式中各符号的含义：[]：刚度矩阵；{}：第i阶模声波；②橡胶层良好的压缩性使得压电陶瓷圆片有态的振型向量；[]：质量矩阵；03：第i阶模态的固较好的振动空间，减小混凝土夹持力对其振动模态有频率。的影响，从而将埋人混凝土中的压电陶瓷圆片振动图2所示为利用Ansys软件仿真获得的压电陶模态看成其在自由状态下振动模态；橡胶层良好的瓷圆片一阶到四阶模态振型图，表1所示为前四阶压缩性还避免了混凝土凝固过程中收缩应力损伤压固有频率和振型描述。传感技术学报1

7、272WWW．chinatransducers．eOITI第24卷～一一图3试验测试系统原理框图在实验中，在离压电敏感元件10em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u1引，利一用接收型压电超声换能器测量了在各阶固有频率下⋯州⋯⋯^_}t山各测点的电压值，并在每个频率下取在三组模块上(c)三阶振动模态(d)四阶振动模态相同位置测点测得三个数据的平均值(单位mV)，图2压电陶瓷圆片的模态振型图如

8、表2所示。在一阶固有频率下，主波束轴心位置表1自由状态下压电陶瓷圆片前四阶固有频率和振型描述电压值最大，即该点的声能最大；而在模态分析中，阶数频率／Hz最大位移振型描述一阶振动模态下，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。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