【儀表網 儀表研發】近日，超聲雜志Ultrasonics發表了北京大學工學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)。該文提出了一種結構簡單、可廣泛應用于結構健康監測領域的水平剪切(SH)波壓電換能器。它由兩個極化相反的半圓環組成，施加環向電場，可方便地激勵出各向同性的非頻散水平剪切波SH0。這項工作的發表標志著李法新課題組在超聲導波檢測/監測領域取得地位，開辟了SH波基礎研究及應用研究的新時代。論文作者是北大工學院2015級博士生宦強。
 

 

圖1. 雙半圓環SH波換能器及其激勵的全向性SH波
 

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

　　早在上世紀70年代末，美國學者Thompson等已經采用電磁超聲換能器(EMAT)在平板中激勵出較純的SH波。但EMAT的大問題是能量轉換效率太低，因此必須采用大功率的發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，難以發揮導波長距離檢測的優勢，而且設備笨重無法用于結構健康監測(SHM)。無損檢測領域學者、英國兩院院士、帝國理工學院的Peter Cawley教授在其論文(IEEE. UFFC., 2011)中指出：“平板中的SH導波和管道中的扭轉導波難以用常規的壓電換能器激勵”。電磁超聲領域學者、日本大阪大學Ogi教授在論文(NDT&E International., 2012)中評論:“當前SH波的研究主要集中在理論和數值模擬，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波一直是該領域的一個難題，這嚴重制約了SH波基礎研究和應用研究的進展。
 

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

　　代：面內剪切d36型及合成d36型SH波壓電換能器
 

　　常規的PZT壓電陶瓷由于極化后為橫觀各向同性，不存在d36面內剪切的變形模式。課題組通過應力誘導鐵彈疇變，在PZT陶瓷中開發出d36面內剪切的變形模式(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。他們改進設計，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，適合實驗室研究，但因引線麻煩，不適合大范圍應用。
 

　　第二代：面內剪切d24型SH波壓電換能器
 

　　2016年他們提出了新型面內剪切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)。這項工作于2016年11月發表在領域期刊Smart Mater Struct，并入選該期刊2016年度23篇亮點論文(Highlights)之一(全年540余篇論文)。他們進而采用一對尺寸優化的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波的基本性質和激勵大口徑管道中的周向SH導波(Miao et al, Ultrasonics 2018)。同時，他們采用指環形d24壓電片陣列(圖3右)，在圓管中激勵出非頻散的零階扭轉波T(0,1) (Miao et al,Smart Mater Struct2017)，為長距離管道的結構健康監測提供了方便可行的技術方案。
 

　　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，而在板殼結構檢測/監測中需要全向型SH波換能器。課題組采用d24型壓電片平面圓環陣列合成周向極化(圖4左)，實現了全向型的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。他們進一步提出基于新型厚度極化、厚度剪切d15模式壓電圓環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%)，已經在稀疏陣列結構健康監測中得到應用驗證。相比于基于Lamb波的結構健康監測系統，基于非頻散SH0導波的監測系統具有缺陷定位精度高、信號處理簡單、可變頻工作等明顯優勢。然而，這種12陣元的換能器在大規模應用中還是不太方便。
 

　　發表的基于雙壓電半圓環的全向型SH波換能器，結構簡單，性能優良，徹底解決了SH波用于結構健康監測中的技術問題。可以預見在不久的將來，導波檢測/監測領域的研究格局將發生改變，基于SH波的檢測/監測方法將得到迅速發展。而且，這種雙半圓環的SH波壓電換能器同時還是一個的扭轉振動換能器，可以在圓棒或圓管中激勵出非頻散的扭轉導波T(0,1)，因此必將在超聲和振動相關領域得到廣泛應用。
 

　　上述發展的SH波換能器已經在美國Tufts大學、北京理工大學、廈門大學、大連理工大學等單位得到應用，反響很好。相關工作先后獲得屆和第二屆軌道交通結構健康監測研討會一等獎(2016、2018,均)、中國鐵道學會佳論文一等獎(2019)等獎項。
 

　　(原文標題：工學院李法新課題組發表SH超聲導波換能器研究成果 開啟結構健康監測新時代)