【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近日，超聲雜志Ultrasonics發(fā)表了北京大學(xué)工學(xué)院李法新課題組的題為“A practical omni-directional SH wave transducer for structural health monitoring based on two thickness-poled piezoelectric half-rings”的論文(Q. Huan et.al, Ultrasonics,2019(94): 342-349)。該文提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、可廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域的水平剪切(SH)波壓電換能器。它由兩個極化相反的半圓環(huán)組成，施加環(huán)向電場，可方便地激勵出各向同性的非頻散水平剪切波SH0。這項(xiàng)工作的發(fā)表標(biāo)志著李法新課題組在超聲導(dǎo)波檢測/監(jiān)測領(lǐng)域取得地位，開辟了SH波基礎(chǔ)研究及應(yīng)用研究的新時代。論文作者是北大工學(xué)院2015級博士生宦強(qiáng)。
 

 

圖1. 雙半圓環(huán)SH波換能器及其激勵的全向性SH波
 

　　近年來結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(SHM)在現(xiàn)代工業(yè)中變得越來越重要，對于管道、板殼等大型結(jié)構(gòu)來說，超聲導(dǎo)波監(jiān)測方法具有傳播距離長、定位準(zhǔn)確等獨(dú)有的優(yōu)勢。然而，目前普遍采用的Lamb導(dǎo)波由于多模態(tài)、頻散等問題，在實(shí)際應(yīng)用中受到諸多限制。相比之下，零階SH導(dǎo)波是完全非頻散的，而且只有一個位移分量，在計(jì)算分析和信號處理方面具有明顯優(yōu)勢，但純的SH波很難用壓電換能器激勵出來。
 

　　早在上世紀(jì)70年代末，美國學(xué)者Thompson等已經(jīng)采用電磁超聲換能器(EMAT)在平板中激勵出較純的SH波。但EMAT的大問題是能量轉(zhuǎn)換效率太低，因此必須采用大功率的發(fā)射裝置和信號放大接收電路才能工作，其檢測距離受到限制，難以發(fā)揮導(dǎo)波長距離檢測的優(yōu)勢，而且設(shè)備笨重?zé)o法用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(SHM)。無損檢測領(lǐng)域?qū)W者、英國兩院院士、帝國理工學(xué)院的Peter Cawley教授在其論文(IEEE. UFFC., 2011)中指出：“平板中的SH導(dǎo)波和管道中的扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波難以用常規(guī)的壓電換能器激勵”。電磁超聲領(lǐng)域?qū)W者、日本大阪大學(xué)Ogi教授在論文(NDT&E International., 2012)中評論:“當(dāng)前SH波的研究主要集中在理論和數(shù)值模擬，原因在于SH波難以用壓電換能器激勵”。因此，采用壓電換能器激勵出純的SH波一直是該領(lǐng)域的一個難題，這嚴(yán)重制約了SH波基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的進(jìn)展。
 

　　李法新課題組從2015年開始從事SH波激勵方法的研究，由于在鐵電壓電領(lǐng)域的多年積累，在三年多時間內(nèi)就取得了突破性進(jìn)展，先后研制出三代剪切型SH波壓電換能器，可方便地用于SH波的基礎(chǔ)研究及檢測監(jiān)測應(yīng)用研究。
 

　　代：面內(nèi)剪切d36型及合成d36型SH波壓電換能器
 

　　常規(guī)的PZT壓電陶瓷由于極化后為橫觀各向同性，不存在d36面內(nèi)剪切的變形模式。課題組通過應(yīng)力誘導(dǎo)鐵彈疇變，在PZT陶瓷中開發(fā)出d36面內(nèi)剪切的變形模式(APL2015)(見圖2左)。采用d36型PZT陶瓷可以激勵出SH波(Miaoet al, JAP 2016)，但同時也激勵出Lamb波。他們改進(jìn)設(shè)計(jì)，采用二維反向極化的方法制備了合成d36型壓電陶瓷(Li, Miao, JAP 2016)(見圖2中)，它激勵SH0波的效果要好一些，但仍然無法激勵出純的SH0波。他們提出對厚度極化PZT陶瓷分割電極、施加二維反向電場的方法(見圖2右)，可在較窄頻帶內(nèi)激勵和接收SH0波(Huanet al, Ultrasonics 2018)。這種方法可采用商用的厚度極化PZT，適合實(shí)驗(yàn)室研究，但因引線麻煩，不適合大范圍應(yīng)用。
 

　　第二代：面內(nèi)剪切d24型SH波壓電換能器
 

　　2016年他們提出了新型面內(nèi)剪切d24模式(圖3左)，采用d24型壓電換能器在平板中激勵出單模態(tài)非頻散的零階SH波，同時還可以有選擇性地接收SH波(濾掉Lamb波)。這項(xiàng)工作于2016年11月發(fā)表在領(lǐng)域期刊Smart Mater Struct，并入選該期刊2016年度23篇亮點(diǎn)論文(Highlights)之一(全年540余篇論文)。他們進(jìn)而采用一對尺寸優(yōu)化的d24型壓電片(圖3中)，制備出雙向聚焦型SH波換能器，適于研究SH波的基本性質(zhì)和激勵大口徑管道中的周向SH導(dǎo)波(Miao et al, Ultrasonics 2018)。同時，他們采用指環(huán)形d24壓電片陣列(圖3右)，在圓管中激勵出非頻散的零階扭轉(zhuǎn)波T(0,1) (Miao et al,Smart Mater Struct2017)，為長距離管道的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測提供了方便可行的技術(shù)方案。
 

　　第三代：全向型SH波壓電換能器
 

　　前面的代和第二代SH波換能器均是方向型(十字指向)或雙向(聚焦)型，而在板殼結(jié)構(gòu)檢測/監(jiān)測中需要全向型SH波換能器。課題組采用d24型壓電片平面圓環(huán)陣列合成周向極化(圖4左)，實(shí)現(xiàn)了全向型的SH波換能器(Miao et al, Ultrasonics 2017)，其各方向靈敏度偏差約為15%，可接受但不理想。他們進(jìn)一步提出基于新型厚度極化、厚度剪切d15模式壓電圓環(huán)12等分的全向型SH波換能器(Huanet al, Smart Mater Struct 2017)(見圖4中)，該換能器信噪比高(~24dB)、均勻性好(靈敏度偏差6-7%)，已經(jīng)在稀疏陣列結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中得到應(yīng)用驗(yàn)證。相比于基于Lamb波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，基于非頻散SH0導(dǎo)波的監(jiān)測系統(tǒng)具有缺陷定位精度高、信號處理簡單、可變頻工作等明顯優(yōu)勢。然而，這種12陣元的換能器在大規(guī)模應(yīng)用中還是不太方便。
 

　　發(fā)表的基于雙壓電半圓環(huán)的全向型SH波換能器，結(jié)構(gòu)簡單，性能優(yōu)良，徹底解決了SH波用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的技術(shù)問題。可以預(yù)見在不久的將來，導(dǎo)波檢測/監(jiān)測領(lǐng)域的研究格局將發(fā)生改變，基于SH波的檢測/監(jiān)測方法將得到迅速發(fā)展。而且，這種雙半圓環(huán)的SH波壓電換能器同時還是一個的扭轉(zhuǎn)振動換能器，可以在圓棒或圓管中激勵出非頻散的扭轉(zhuǎn)導(dǎo)波T(0,1)，因此必將在超聲和振動相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。
 

　　上述發(fā)展的SH波換能器已經(jīng)在美國Tufts大學(xué)、北京理工大學(xué)、廈門大學(xué)、大連理工大學(xué)等單位得到應(yīng)用，反響很好。相關(guān)工作先后獲得屆和第二屆軌道交通結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研討會一等獎(2016、2018,均)、中國鐵道學(xué)會佳論文一等獎(2019)等獎項(xiàng)。
 

　　(原文標(biāo)題：工學(xué)院李法新課題組發(fā)表SH超聲導(dǎo)波換能器研究成果 開啟結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測新時代)