不同频率对埋入式压电陶瓷辐射声波的影响-论文.pdf

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1、第29卷第3期成都信息工程学院学报V01．29NO．32014年6月JOURNALOFCHENGDUUNIVERSITYOFINFORMATIONTECHNOLOGYJun．2014文章编号：1671．1742(2014)03—0217—05不同频率对埋入式压电陶瓷辐射声波的影响周基强，陈雨，赵爱荣，刘丽(四川大学电子信息学院，四川成都610065)摘要：不同频率激励埋人式压电陶瓷，辐射声波的声压、声强和指向性不同。为提高超声无损检测的精度，正确选用激励频率十分重要。通过ANSYS软件对埋人式压电陶瓷进行有限元分析，得到在20～100kHz频率范围内不同振动模态对

2、应的固定频率，使用所得频率对压电陶瓷进行激励，分析不同频率激励压电陶瓷辐射超声波的影响，选定最佳固定频率。结果表明在20～100kHz频率范围内，共有14个振动模态，9个振动模态的振幅达到极值，声压随频率的增大逐渐增强，当频率达到79．666kHz时为最大值，而后逐渐衰减，且在67．301～84．895k}{z频段内变化十分迅速。关键词：信号与信息处理；压电传感；频率；埋入式；声压；超声波中图分类号：TN384文献标志码：A0引言在当今世界，混凝土是用途最广泛的工程材料之一。由于受到不良环境的侵蚀和混凝土本身质量的影响，会出现开裂、强度下降等问题，影响混凝土结构的

3、使用寿命，甚至会发生结构破坏、倒塌，造成人员伤亡和经济损失，实时监测混凝土健康状态显得尤为重要⋯。常用的检测方法主要包括有损检测和无损检测，为确保结构的完整性，实际中主要使用无损检测的方法。其中无损检测方法有很多种，但超声波无损检测技术具有适用范围广、检测深度大、缺陷定位准确、检测灵敏度高、速度快、操作安全以及便于现场使用等特点，因此超声检测目前是国内外应用最广泛、使用频度高且发展较快的一种无损检测技术，已成为现代产品质量检测与控制的重要方法和手段-4]。1929年，Sokolov首先提出用超声波探查金属体内内部缺陷的建议L5J，20世纪90年代，重庆大学文玉梅等

4、J提出将压电陶瓷埋入混凝土中组成压电埋入式混凝土机敏模块在线监测混凝土内部结构的方法。文献[8]研究了通过背衬的方式提高声能激励效率；文献[9]研究了混凝土中压电陶瓷在变载荷作用下的特性；文献[10]研究了压电陶瓷的温度特性。因此研究不同因素对埋入式压电陶瓷超声无损检测工程实践具有重要意义，并且为了提高无损检测的精确程度，压电埋人式机敏模块中激励频率的选择对于该无损检测方法显得尤为重要。压电陶瓷在不同振动模态下其固有频率不同，文中将通过用不同频率激励压电陶瓷，分析其对辐射声波的影响。1埋入式压电超声无损检测系统埋人式压电陶超声无损检测系统是通过信号发生器产生混凝土

5、压电陶接收一定频率的周期脉冲信号激励埋人混凝土中的压电陶瓷，使其发生形变，产生超声波，超声波在混凝土中传播并携带其内部信息，到达接收端(超声换能器)，将接收到的信号进行分析比较，得到混凝土的信息，通过对混凝土信息的分析，以达到图1超声无损检测系统示意图监测混凝土健康与否的目的。其原理图如图1所示。在实验中，为确保压电混凝土模块中压电陶瓷不受混凝土凝固时产生的应力的破坏和在检测中发生短路等影响，压电陶瓷埋人混凝土前，在上面均匀涂上硅橡胶，可达到声阻匹配和为压电陶瓷在混凝土中充分振动提供空间的目的。超声波是由压电陶瓷声辐射平面振动而产生，压电陶瓷辐射的超声波在混凝土传

6、输过程中会产生声波扩散、能量衰减。研究埋人式压电陶瓷对频率与声场指向性和能量的关系[11j，需研究不同振动模态所对应的频率对声场指向性和能量的影响，并找到能激励压电陶瓷辐射的超声波声场指向性集中、能量高的频率，为在实际检测中收稿日期：2014—04—28基金项目：国家自然科学基金资助项目(61174025)；国家自然科学青年基金资助项目(50808186)；重庆市自然科学基金资助项目(CSTC，2008B130155)成都信息工程学院学报第29卷通过使用不同频率对压电陶瓷进行激励，所得不同声压随激励频率变化的关系如图3所示。l由图3可知，在20-79．666kHz

7、频段内，随激励频率增加l其声压不断加强，在79．666～100kHz频段内，随激励频率的出增加其声压不断减少，在79．666kHz时声压达到最大值，且忸在67．301-84．895kHz范围内，声压变化十分迅速。由文献[2]中声强J：f)102I】304()5{16I】71)809《)1【){)110，：专A=专1=1V(1)频率／kHz可知，声强与声压平方成正比，其变化规律与声压相同，在频图3声压随激励频率的变化关系图率点为79．666kHz时声强达到最大值。指向性是指声波为一点声源时，声波从声源向四面八方辐射。如果声源的尺寸比波长大时，则声波从声源集中成一L0

8、一r，—’