基于压电晶片的超声导波激发特性试验

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1、基于压电晶片的超声导波激发特性试验李鸿源,徐鸿华北电力大学能源动力与机械工程学院,北京摘要使用超声导波进行无损检测是实现结构健康监侧的重要手段,但是其多模态特性会增加损伤信号提取难度,因此需要在激发时尽可能激励单一模态。使用粘贴于结构表面的压电晶片激发和接收超声导波,通过多种尺寸晶片在不同结构厚度下的导波试验,对导波各模态的激发特性进行了研究。结果表明附着于结构表面的压电晶片不但可激发乌模态,同时也可激发出入,模态为了有效抑制戊模态的幅值,激发晶片的直径需要大于模态的波长。关键词超声导波模态激发压电晶片结构健康监测中图分类号文献标志码文章编号一一一兮,,,,,忱献,馆一仑,凡八,池对结构

2、部件的完整性进行实时监测和评估是保发单一选定模态。证部件安全服役的重要方法,在航空航天、石油化等使用可调角度超声波探头在板中激工、能源电力、交通运输等领域具有重要意义。超声发超声导波'〕,刘增华等使用斜探头在管道中激励导波具有传播距离长、衰减小等特点,是实现结构健超声导波川。根据定理,使用斜探头改变康监测,的重人射角,可以激发特定的模态,实现单模态激发但要手段。除具有上述优点外,超声导波还具有多模是斜探头体积和重量均较大,不适合在线监测应用。态的特点,即同一频率下同时存在多种可传播模态。叉指换能器通过调整指间间距也可实现特定模态导这将使得真正表征损伤的特征信号难以识别。因此波激发〔一,但

3、是由于其叉指结构,激发的导波信号需要在激发超声导波时尽可能抑制其它模态,只激通常具有方向性,无法对各个方向同时检测。电磁声换能器也可激发超声导波,一〕,其通过收稿日期一一力或磁致伸缩力将电信号转换成应力波,通过调整基金项目国家自然科学基金资助项目国家自然科磁场和电流方向,可以实现特定模态激发,特别是可学基金和神华集团有限公司联合资助项目中央高校基以得到其他方式较难激发的波'。爪但是电磁声本科研业务费专项资金资助项目转换效率相对较低,需要较高激发能量,因此换能器作者简介李鸿源一,男,博士研究生,主要研究方向为电站设备无损检测方向。和激发设备体积较大,同时此种激发方式要求被检年第卷第期部件为

4、金属材料,无法检测复合材料。压电晶片可以将电信号直接转换成应力振动,体积小、质量小,互,。既可以在金属中激发超声导波〔`'一`〕,也可以在复合卜侧瑕能︶、日拜、…材料等非金属中激发超声导波〔`一'〕,适于结构健康,厂'一江··监测应用仁'一'〕,是目前研究热点。等采用在被'检板正反双面对称布置压电晶片的方式激发超声导波,当两传感器同相激发时可产生对称模态,反相激发时可产生非对称模态〔'〕。但由于此种方法需要频厚稠·双面布置传感器,限制了其应用范围。图钢板中波频散曲线等采用单面布置薄压电晶片的方式激发超声导一,波一侧,通过调整激发频率可以激发氏模态。单一导波模态。单面粘贴于表面的压电陶瓷晶

5、片方法,相对于其他导波激发方式,具有质量轻、实施方便的特点,试验研究因此很适合应用。但是为实现单模态激发,基于压电转换效应及逆压电转换效应,粘贴在需要对此种激发方式下的各模态导波的激发特性有被检对象表面薄压电晶片可以激发和接收较清晰的了解。通过不同尺寸压电晶片在不同厚度波。笔者拟通过试验,研究不同激发传感器尺寸下钢板中的导波试验,研究波各模态强度与激波各模态强度与激发频率间的对应关系。发频率间的对应关系,以指导最佳传感器尺寸设计试验装置及激发频率选择,实现基于压电晶片的单模态超声装置如图所示。波激发信号由函数发导波激发。生器生成,并直接加载于激发传感器上,薄板中的超声导波传感器中的压电晶

6、片通过压电转换效应在板中产生波。接收到的波由一数据采集薄板中传播的超声导波也称为波,是由卡采集。纵波和横波在薄板上下边界反射、叠加形成的沿薄板传播的应力波。计算机自由边界条件下,各向同性均质薄板中波特征方程如下信号发生器数采卡一一“咖闪神户各七一走,。头七一走图试验装置图式中,,。分别为平板半壁厚、波波数和角为了减小信号频带宽度,激发信号采用经汉宁频率,为材料中纵波及横波的波速为初位窗调制的周期正弦波信号,其表达如式所示。相,一对应于波对称模态,一兀对应于、,月一非对称模态。、、产,气兀于气乙兀。乙`一对波特征方程进行数值求解可以获得式中为中心频率为信号幅值,。波频散曲线,如图所示。从中

7、可以看出压电晶片通过导电树脂胶粘贴在薄板表面。压波模态数目随频厚积增加而增加,具有多模电晶片尺寸分别为必和笋态特点。利用波进行损伤检测时,为了降低。被检对象为薄钢板,其尺寸分别为多模态影响,通常选择低频区域模态截止频率和以下作为信号激发频率。在此频率区间存在两种。导波模态,。模态和氏模态。为了研究钢板中各导波模态与频率关系,采用超声导波的多模态特点增加了信号分析处理的两种尺寸压电晶片针对两种厚度钢板进行组试难度,因此需要在激发时进行