埋入混凝土中压电陶瓷圆片声指向性和能量研究.pdfVIP

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 叩 = =l i㈩ 高、指向性集中的频率有着重要的理论和工程意义。 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 (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