本發(fā)明涉及智能材料領(lǐng)域，具體涉及一種全指向性激勵(lì)與接收水平剪切波的壓電換能器及制備方法。

背景技術(shù)：

大型板殼結(jié)構(gòu)常見(jiàn)于壓力容器、化工原料儲(chǔ)藏倉(cāng)等結(jié)構(gòu)中。由于腐蝕、疲勞損傷等原因，這類(lèi)結(jié)構(gòu)的意外事故常有發(fā)生，造成重大經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此，巨型板殼結(jié)構(gòu)安全性的檢測(cè)與評(píng)價(jià)具有重要意義。無(wú)損檢測(cè)與結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)可以對(duì)板殼結(jié)構(gòu)的完整性和剩余壽命進(jìn)行評(píng)估，實(shí)現(xiàn)及時(shí)維護(hù)，進(jìn)而避免了重大安全事故的發(fā)生。與其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相比，超聲導(dǎo)波以其檢測(cè)距離長(zhǎng)、檢測(cè)效率高和檢測(cè)成本低等優(yōu)勢(shì)受到了越來(lái)越多的關(guān)注。在實(shí)際運(yùn)用中，超聲導(dǎo)波相控陣系統(tǒng)因?yàn)槟軐?shí)現(xiàn)波聚焦而被認(rèn)為是最為有效的超聲檢測(cè)方法。以全指向性激勵(lì)與接收的換能器作為基本單元，相控陣系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)將波束能量集中在換能器的任何方向，進(jìn)而形成一種360度無(wú)盲區(qū)線掃描檢測(cè)系統(tǒng)。不同于復(fù)雜的傳感器網(wǎng)絡(luò)，這類(lèi)相控陣系統(tǒng)只需要很少的換能器，就可以實(shí)現(xiàn)全區(qū)域覆蓋，極大地降低了建造成本和信號(hào)處理的難度，從而使得超聲導(dǎo)波在板殼結(jié)構(gòu)中檢測(cè)成為可能。

為了形成有效的相控陣系統(tǒng)，組成該系統(tǒng)的基本換能器單元必須可以全指向性激勵(lì)和接收導(dǎo)波。國(guó)內(nèi)外許多課題組先后開(kāi)展了許多的研究工作，多種全指向性激勵(lì)與接收l(shuí)amb波的換能器也被相繼提出。英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)cawley課題組基于洛倫茲力設(shè)計(jì)了一種電全指向性電磁換能器(wilcoxpd,etal.theexcitationanddetectionoflambwaveswithplanarcoilelectromagneticacoustictransducers.ieeetrans.ultrason.ferroelectr.freq.control,52(12),2005)；韓國(guó)首爾大學(xué)yoonyoungkim課題組基于磁致伸縮效應(yīng)設(shè)計(jì)了全指向性磁致伸縮換能器(j.k.lee,etal.omnidirectionallambwavesbyaxisymmetrically-configuredmagnetostrictivepatchtransducer.ieeetrans.ultrason.ferroelectr.freq.control,60(9),2013)；美國(guó)賓州州立大學(xué)rose課題組基于壓電伸縮振動(dòng)模式設(shè)計(jì)了全指向性壓電換能器(koduru.jp,etal.transducerarraysforomnidirectionalguidedwavemodecontrolinplatelikestructures.smartmater.struct,22(1),2012)。上述的換能器雖然能全指向性激勵(lì)與接收超聲導(dǎo)波，但都集中在lamb波。對(duì)于lamb波而言，無(wú)論是對(duì)稱(chēng)的s0波或反對(duì)稱(chēng)的a0波，均是頻散的，這種頻散特性使得波形隨著傳播距離或傳播時(shí)間的增加發(fā)生扭曲；lamb波振動(dòng)特性決定了它的離面位移與面內(nèi)位移無(wú)法解耦，這使得實(shí)際中很難激勵(lì)出單模態(tài)的lamb波，而多模態(tài)的lamb波與缺陷相互作用后會(huì)發(fā)生明顯的波型轉(zhuǎn)換。這些問(wèn)題都給后續(xù)的信號(hào)處理帶來(lái)了極大的困難，嚴(yán)重制約了lamb波超聲相控陣系統(tǒng)走向?qū)嶋H使用。與lamb波相比，基頻水平剪切波(sh0)是完全非頻散的，它的波形不會(huì)隨著傳播距離或傳播時(shí)間的増長(zhǎng)波形發(fā)生扭曲；它只有一個(gè)面內(nèi)位移分量，當(dāng)它與缺陷相互作用后，波型轉(zhuǎn)換極少。這些特性都使得sh0波在后續(xù)的信號(hào)處理更方便，顯示出更強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。此外，sh0波與lamb波相比，能量衰減小，也無(wú)法在流體中傳播，相同條件下可檢測(cè)的范圍更大。因此，設(shè)計(jì)制備全指向性激勵(lì)與接收水平剪切(sh)波換能器能極大地推動(dòng)超聲導(dǎo)波在板殼結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的。

為了進(jìn)一步推動(dòng)超聲導(dǎo)波在板殼結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的發(fā)展，近幾年一些學(xué)者提出了幾種全指向性激勵(lì)與接收sh波的換能器。韓國(guó)首爾大學(xué)yoonyoungkim課題組基于磁致伸縮原理(seunghm,etal.developmentofanomni-directionalshear-horizontalwavemagnetostrictivepatchtransducerforplates.ultrasonics,53(7),2013)和洛倫茲力(seunghm,etal.anomnidirectionalshear-horizontalguidedwaveematforametallicplate.ultrasonics,69,2016)，設(shè)計(jì)了全指向性激勵(lì)與接收的sh波的磁致伸縮換能器(mpt)和電磁換能器(emat)。mpt需要通過(guò)交變電流產(chǎn)生動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)材料的磁致伸縮邊形，emat則需要通過(guò)交變電流在金屬板中感應(yīng)出渦流，這兩種方式都極大地降低了能量轉(zhuǎn)換效率，導(dǎo)致?lián)Q能器激勵(lì)出的信號(hào)微弱；此外，mpt與emat抗干擾能力較弱，在實(shí)際使用中信號(hào)易受環(huán)境影響，給信號(hào)的后續(xù)處理帶來(lái)困難。與mpt和emat相比，壓電換能器尺寸更為緊湊，機(jī)電耦合系數(shù)更高，抗干擾能力更強(qiáng)，因此全指向性激勵(lì)與接收sh波的壓電換能器顯得更適用于板殼結(jié)構(gòu)的檢測(cè)。美國(guó)賓州州立大學(xué)rose課題組設(shè)計(jì)了一種由兩個(gè)完全相等的壓電半圓柱構(gòu)成的全指向壓電換能器(u.s.patentapplicationno.14/878,595)。這種換能器要求壓電半圓柱沿周向均勻極化，但這種極化方式在實(shí)際制備中很難實(shí)現(xiàn)。加拿大高等技術(shù)學(xué)院belanger課題組和北京大學(xué)李法新課題組分別采用厚度剪切d15模式(belangerp,etal.developmentofalowfrequencyomnidirectionalpiezoelectricshearhorizontalwavetransducer.smartmater.struct,25(4),2016)和面剪切d24模式(miaoh,etal.anewomnidirectionalshearhorizontalwavetransducerusingface-shear(d24)piezoelectricringarray.ultrasonics,74,2017)，通過(guò)將方形壓電陶瓷片切割成梯形狀后組成一個(gè)近周向極化的換能器陣列，實(shí)現(xiàn)了sh波的全指向性激勵(lì)與接收。但這種設(shè)計(jì)要求換能器陣列的每個(gè)單元形狀、性能均相近，才能保證激勵(lì)與接收的sh波時(shí)沿各個(gè)方向有良好的均一性，這在實(shí)際制備中很難保證。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有的壓電換能器周向極化困難、全指向性能不均一等問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種全指向性激勵(lì)與接收水平剪切波的壓電換能器及制備方法，克服了mpt與emat能量轉(zhuǎn)化率低、信號(hào)弱、抗干擾能力差等弊端，并且在寬頻帶范圍內(nèi)均可以工作，十分適用于超聲導(dǎo)波相控陣系統(tǒng)，有望進(jìn)一步推動(dòng)超聲導(dǎo)波在板殼檢測(cè)中的使用。

本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種全指向性激勵(lì)與接收水平剪切波的壓電換能器。

本發(fā)明的全指向性激勵(lì)與接收水平剪切波的壓電換能器包括：2n個(gè)換能器子單元；其中，一塊壓電陶瓷圓環(huán)，沿厚度方向極化；極化后的壓電陶瓷圓環(huán)沿直徑方向平均分成2n個(gè)扇形體；每一個(gè)扇形體的兩個(gè)矩形側(cè)面為電極面，在每一個(gè)電極面上制備電極，從而形成換能器子單元；形狀為扇形體的換能器子單元拼接在一起重新構(gòu)成圓環(huán)，相鄰的換能器子單元的極化方向相反，即沿厚度方向極化方向交替反向；相鄰的兩個(gè)電極面上的電極粘接在一起并導(dǎo)通，兩個(gè)粘接在一起的相鄰的電極面形成一個(gè)共用電極面，電勢(shì)相等，共形成2n個(gè)共用電極面，兩個(gè)粘接在一起的相鄰的電極形成共用電極，共形成2n個(gè)共用電極；共用電極面每間隔一個(gè)為等電勢(shì)，即在實(shí)際使用時(shí)只存在兩個(gè)電勢(shì)，每個(gè)電勢(shì)包含n個(gè)公共電極面；以一個(gè)共用電極為基準(zhǔn)，每間隔一個(gè)公共電極作為正電極，n個(gè)正電極分別通過(guò)導(dǎo)線連接至激勵(lì)源的正極，其余n個(gè)相互間隔的公共電極作為負(fù)電極，分別通過(guò)導(dǎo)線連接至激勵(lì)源的負(fù)極；從而得到沿厚度方向極化方向交替反向并且周向施加電場(chǎng)的壓電換能器；n為≥2的自然數(shù)。

相鄰的電極采用具有導(dǎo)電性能的膠黏劑粘接在一起。

本發(fā)明的壓電換能器作為制動(dòng)器，激勵(lì)超聲導(dǎo)波，或者作為傳感器，接收超聲導(dǎo)波；作為制動(dòng)器，只激勵(lì)水平偏剪切波sh0波；作為傳感器，只接收sh0波。

本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種全指向性激勵(lì)與接收水平剪切波的壓電換能器的制備方法。

本發(fā)明的全指向性激勵(lì)與接收水平剪切波的壓電換能器的制備方法，包括以下步驟：

1)將一塊壓電陶瓷圓環(huán)沿厚度方向極化；

2)將極化后的壓電陶瓷圓環(huán)沿直徑方向平均分成2n個(gè)扇形體，n為≥2的自然數(shù)；

3)將每一個(gè)扇形體的兩個(gè)矩形側(cè)面作為電極面，在每一個(gè)電極面上制備電極，從而形成換能器子單元；

4)將形狀為扇形體的換能器子單元拼接在一起重新構(gòu)成圓環(huán)，并且相鄰的換能器子單元的極化方向相反，即沿厚度方向極化方向交替反向；

5)相鄰的兩個(gè)電極面上的電極粘接在一起并導(dǎo)通，兩個(gè)粘接在一起的相鄰的電極面形成一個(gè)共用電極面，電勢(shì)相等，共形成2n個(gè)共用電極面，兩個(gè)粘接在一起的相鄰的電極形成共用電極，共形成2n個(gè)共用電極；共用電極面每間隔一個(gè)為等電勢(shì)，即在實(shí)際使用時(shí)只存在兩個(gè)電勢(shì)，每個(gè)電勢(shì)包含n個(gè)公共電極面；

6)以一個(gè)共用電極為基準(zhǔn)，每間隔一個(gè)公共電極作為正電極，將n個(gè)正電極分別通過(guò)導(dǎo)線連接至激勵(lì)源的正極，將其余n個(gè)相互間隔的公共電極作為負(fù)電極，分別通過(guò)導(dǎo)線連接至激勵(lì)源的負(fù)極，從而得到沿厚度方向極化方向交替反向并且周向施加電場(chǎng)的壓電換能器。

其中，在步驟1)中，在壓電陶瓷圓環(huán)沿厚度方向的上下表面分別形成極化電極，將壓電陶瓷圓環(huán)沿厚度方向極化后，將極化電極磨去。

在步驟3)中，在每一個(gè)電極面上制備電極采用燒制或噴涂的方式。

在步驟4)中，按照原序列將形狀為扇形體的換能器子單元拼接重新構(gòu)成圓環(huán)，效果最佳。

在步驟5)中，相鄰的電極采用具有導(dǎo)電性能的膠黏劑粘接在一起，如導(dǎo)電環(huán)氧。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明采用一塊壓電陶瓷圓環(huán)沿厚度方向極化，平均分成2n個(gè)扇形體后在側(cè)面制備電極，重新構(gòu)成圓環(huán)，相鄰的換能器子單元的極化方向相反，形成沿厚度極化方向交替反向并且周向施加電場(chǎng)的全指向性激勵(lì)與接收sh0波的壓電換能器；本發(fā)明的各個(gè)換能器子單元取自于同一個(gè)壓電陶瓷圓，極化程度、機(jī)電耦合系數(shù)等的材料參數(shù)的差異可以忽略不計(jì)，確保了換能器沿各個(gè)方向的均一性；沿厚度極化的工藝也遠(yuǎn)比周向極化簡(jiǎn)單；與emat和mpt相比，本發(fā)明的壓電換能器能量轉(zhuǎn)換率高，信號(hào)強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)；本發(fā)明具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，更適用于平板檢測(cè)超聲導(dǎo)波檢測(cè)。

附圖說(shuō)明

圖1(a)～(d)為本發(fā)明的全指向性激勵(lì)與接收水平剪切波的壓電換能器的一個(gè)實(shí)施例的制備方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明的全指向性激勵(lì)與接收水平剪切波的壓電換能器的一個(gè)實(shí)施例激勵(lì)sh0波的波形圖，其中，(a)為激勵(lì)信號(hào)中心頻率為130khz，(b)為激勵(lì)信號(hào)中心頻率為210kh；

圖3為本發(fā)明的全指向性激勵(lì)與接收水平剪切波的壓電換能器的一個(gè)實(shí)施例接收sh0波的波形圖，(a)為激勵(lì)信號(hào)中心頻率為130khz，(b)為激勵(lì)信號(hào)中心頻率為210kh；

圖4為本發(fā)明的全指向性激勵(lì)與接收水平剪切波的壓電換能器的一個(gè)實(shí)施例信號(hào)強(qiáng)度與角度之間的關(guān)系圖，其中，(a)為激勵(lì)sh0波的示意圖，(b)為接收sh0波的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，通過(guò)具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

如圖1所示，本實(shí)施例的全指向性激勵(lì)與接收水平剪切波的壓電換能器的制備方法，包括以下步驟：

1)將一塊壓電陶瓷圓環(huán)，外徑為a、內(nèi)徑為b和厚度為c，沿厚度方向的上下表面分別形成極化電極，沿厚度c方向極化，極化后將極化電極磨去，如圖1(a)所示；

2)將極化后的壓電陶瓷圓環(huán)沿直徑方向平均分成12個(gè)扇形體，本實(shí)施例中n＝6；

3)將每一個(gè)扇形體的兩個(gè)側(cè)面，即尺寸為(a-b)×c的矩形側(cè)面d，作為電極面，在每一個(gè)電極面上燒制電極，從而形成換能器子單元，e為極化方向，如圖1(b)所示；

4)將形狀為扇形體的換能器子單元按照原序列重新構(gòu)成圓環(huán)，相鄰的換能器子單元的極化方向相反，即沿厚度方向極化方向交替反向，如圖1(c)所示；

5)相鄰的兩個(gè)電極面上的電極通過(guò)導(dǎo)電環(huán)氧粘接在一起并導(dǎo)通，兩個(gè)相鄰的電極面形成一個(gè)共用電極面，兩個(gè)相鄰的電極形成共用電極，電勢(shì)相等，形成12個(gè)共用電極面，12個(gè)公共電極；電極面每間隔一個(gè)為等電勢(shì)，即在實(shí)際使用時(shí)只存在兩個(gè)電勢(shì)，每個(gè)電勢(shì)包含6個(gè)公共電極面；

6)以共用電極f為基準(zhǔn)，每間隔一個(gè)公共電極作為正電極，將6個(gè)正電極分別通過(guò)導(dǎo)線連接至激勵(lì)源的正極，將以另一個(gè)共用電極g為基準(zhǔn)，每間隔一個(gè)公共電極作為負(fù)電極，將6個(gè)負(fù)電極分別通過(guò)導(dǎo)線連接至激勵(lì)源的負(fù)極，從而得到沿厚度方向極化方向交替反向并且周向施加電場(chǎng)的壓電換能器，如圖1(d)所示。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證制備的壓電換能器能夠全指向性激勵(lì)與接收sh0波，將上述制備得到的壓電換能器在1000×1000×2mm的鋁板上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。本實(shí)施例的壓電換能器作為制動(dòng)器時(shí)，激勵(lì)信號(hào)為五周期正弦漢寧窗，激勵(lì)電壓為20v，采用d36型pmn-pt單晶接收，其結(jié)果如圖2所示。圖2(a)激勵(lì)信號(hào)中心頻率為130khz，圖2(b)激勵(lì)信號(hào)中心頻率為210kh，結(jié)果表明制備的換能器能激勵(lì)出單模態(tài)的sh0波。本實(shí)施例的壓電換能器作為接收器時(shí)，采用d36型pmn-pt單晶激勵(lì)，激勵(lì)信號(hào)同樣為五周期正弦漢寧窗，激勵(lì)電壓為20v，結(jié)果如圖3所示。圖3(a)激勵(lì)信號(hào)中心頻率為130khz，圖3(b)激勵(lì)信號(hào)中心頻率為210kh，結(jié)果表明本發(fā)明的壓電換能器可以濾掉其他波而只接收sh0波。圖4為制備的換能器沿各個(gè)方向激勵(lì)與接收sh0波信號(hào)均一性的結(jié)果，考慮到換能器結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性，給出了90度范圍的結(jié)果，結(jié)果表明無(wú)論在激勵(lì)(圖4(a))或是接收sh0波(圖4(b))，本發(fā)明的壓電換能器沿各個(gè)方向均具有良好的均一性。

最后需要注意的是，公布實(shí)施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開(kāi)的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書(shū)界定的范圍為準(zhǔn)。