背襯對(duì)埋入混凝土中壓電陶瓷激勵(lì)聲能的影響*

譚 斌，陳 雨*，黃 潤(rùn)，李鵬程，陳 浩

(1.四川大學(xué)電子信息學(xué)院，成都 610064;2.重慶大學(xué)光電工程學(xué)院光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044)

混凝土是現(xiàn)代工程中最重要的建筑材料之一。由于各種原因，混凝土在澆筑和使用過程中，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生不同程度的缺陷，從而影響了混凝土的力學(xué)性質(zhì)，給工程安全帶來了隱患，因此，有必要采取有效的手段對(duì)混凝土建筑結(jié)構(gòu)的健康狀況進(jìn)行檢測(cè)［1－2］。超聲無損檢測(cè)是混凝土結(jié)構(gòu)健康狀況檢測(cè)的主要方法。重慶大學(xué)對(duì)埋入混凝土中壓電陶瓷的特性進(jìn)行了研究，提出通過埋入的壓電陶瓷激勵(lì)聲信號(hào)用以檢測(cè)混凝土內(nèi)部健康狀況的方法［3－4］。在這種方法中，埋入混凝土中的壓電陶瓷圓片在厚度振動(dòng)模態(tài)下輻射的聲波，被垂直于混凝土表面的壓電換能器所接收，通過分析聲信號(hào)可以判斷混凝土內(nèi)部的健康狀態(tài)。由于壓電陶瓷埋入混凝土后，其電－聲特性受到混凝土凝固收縮的影響，使得壓電陶瓷聲激勵(lì)效率降低，采集到的聲信號(hào)微弱、信噪比低，且在激勵(lì)、傳輸、檢測(cè)過程還容易受到噪聲的干擾，這些噪聲會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)分析以及檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，因此，提高聲激勵(lì)效率和聲信號(hào)的信噪比對(duì)提高超聲無損檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性起著至關(guān)重要的作用［5－6］。本文提出了一種在壓電陶瓷圓片一側(cè)用硅橡膠層合金屬背襯的方法，該方法將壓電陶瓷雙側(cè)的聲能集中到一側(cè)從而充分利用聲信號(hào)能量提高聲激勵(lì)效率，介紹了聲波在雙層介質(zhì)分界面上的傳播特性，然后設(shè)計(jì)了埋入混凝土中壓電陶瓷的背襯結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)表明，聲信號(hào)能量的相對(duì)增量與背襯厚度和聲信號(hào)激勵(lì)頻率相關(guān)，并通過高斯曲線擬合得到了兩者之間的關(guān)系，即在埋入條件下，接收端聲信號(hào)能量相對(duì)增量隨背襯厚度與聲激勵(lì)頻率之積變化的特性曲線，并得出了在壓電陶瓷諧振點(diǎn)使得接收端聲信號(hào)能量取最大值的最優(yōu)背襯厚度。同時(shí)，對(duì)聲信號(hào)進(jìn)行功率譜分析還表明，背襯沒有改變聲信號(hào)功率譜主峰區(qū)間的頻率帶寬以及壓電陶瓷的諧振頻率。

1 聲波在雙介質(zhì)分界面的傳播特性

壓電陶瓷與金屬背襯層合后成為一種雙層介質(zhì)的壓電陶瓷單元，聲波在雙層介質(zhì)中傳播時(shí)表現(xiàn)出與在均勻介質(zhì)中傳播時(shí)不同的特性，如圖1所示。

圖1 聲波在雙介質(zhì)分界面上的反射和透射

當(dāng)聲波在聲阻抗為Z1的均勻介質(zhì)中傳播遇到聲阻抗為Z2均勻介質(zhì)時(shí)，會(huì)在兩介質(zhì)的分界面上發(fā)生反射和透射，θr為入射角和θd為折射角，這樣，兩介質(zhì)中聲壓的反射系數(shù)和透射系數(shù)如下表示:

可見，聲波在兩介質(zhì)的分界面上的反射系數(shù)R和透射系數(shù)D取決于兩介質(zhì)的聲阻抗Z1和Z2以及入射角θr和折射角θd的大小，即反射回波的強(qiáng)度取決于界面兩側(cè)介質(zhì)的聲阻抗和聲波入射角以及折射角的大?。?－8］。因此，利用壓電陶瓷和金屬背襯的分界面上聲波的反射可將壓電陶瓷圓片厚度模式下雙側(cè)的聲信號(hào)集中到同一側(cè)，從而提高聲信號(hào)的指向性增強(qiáng)壓電陶瓷另一側(cè)聲波的能量。

2 實(shí)驗(yàn)樣品和原理

本文研究了與金屬背襯層合的PZT5H壓電陶瓷埋入混凝土后對(duì)接收端聲信號(hào)能量和聲信號(hào)指向性的影響，對(duì)比了在4種不同厚度的金屬背襯(0 mm，1.2 mm，2.4 mm，3.6 mm)作用下，接收端聲信號(hào)能量和聲信號(hào)指向性的變化規(guī)律。埋入混凝土中作為聲源的壓電陶瓷采用圓片結(jié)構(gòu)，其振動(dòng)模式為厚度振動(dòng)模式，在壓電陶瓷圓片上下端面上各鍍有一層銀電極。壓電陶瓷圓片的厚度為2 mm，半徑為12 mm，其結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。在壓電陶瓷圓片的兩極焊接同軸電纜作為信號(hào)線，并在其表面覆蓋一層的硅橡膠層并與金屬背襯層合，從而制作成壓電陶瓷單元，其實(shí)物圖如圖2(b)所示。

圖2 壓電陶瓷圓片的背襯結(jié)構(gòu)

PZT5H壓電陶瓷具有較高的壓電常數(shù)、彈性系數(shù)及介電常數(shù)，有利于在埋入條件下壓電陶瓷輻射更強(qiáng)的聲信號(hào)，該壓電陶瓷的出廠參數(shù)如表1所示［9］。

表1 PZT5H壓電陶瓷性能參數(shù)

壓電陶瓷是一種脆性的物質(zhì)，為了避免埋入混凝土中壓電陶瓷在混凝土干縮效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力作用下受到損傷，壓電陶瓷和金屬背襯的外圍均覆蓋了一層厚度約為1.2 mm硅橡膠(單組分室溫硫化硅橡膠)，橡膠層不僅能夠保護(hù)壓電陶瓷和減小混凝土夾持力對(duì)其的影響，同時(shí)還起到聲阻抗匹配的作用［10－11］。壓電陶瓷圓片的尺寸為 φ25 mm×2 mm，金屬背襯圓片的尺寸為φ25 mm×1.2 mm。

如圖3所示，壓電陶瓷單元埋入在混凝土立方塊中心位置，混凝土立方塊的尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。實(shí)驗(yàn)原理如圖4所示，在壓電陶瓷上通過同軸電纜接一聲激勵(lì)信號(hào)(正弦脈沖電壓)驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷的兩側(cè)輻射聲波，經(jīng)混凝土傳播后被換能器接收。且金屬背襯能將壓電陶瓷一側(cè)的聲波反射到另一側(cè)能夠提高聲信號(hào)指向性，從而達(dá)到充分利用聲信號(hào)能量提高聲激勵(lì)效率的目的。

圖4 實(shí)驗(yàn)原理框圖

3 聲信號(hào)能量和聲指向性實(shí)驗(yàn)及分析

在聲信號(hào)能量實(shí)驗(yàn)中，埋入混凝土中壓電陶瓷圓片厚度振動(dòng)模式下聲激勵(lì)(正弦脈沖)頻率以2 kHz的間隔從20 kHz到500 kHz變化，埋入混凝土中的壓電陶瓷圓片在厚度方向上振動(dòng)輻射聲波，經(jīng)混凝土傳播后，在壓電陶瓷圓片軸向方向上被垂直于混凝土表面的壓電換能器所接收，通過計(jì)算可得在不同發(fā)射頻率的聲激勵(lì)信號(hào)下接收端聲信號(hào)的能量，改變背襯厚度進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn)可以得到圖5所示的特性曲線，即接收端聲信號(hào)能量的歸一化值隨聲激勵(lì)頻率變化的特性曲線。

圖5 聲信號(hào)能量實(shí)驗(yàn)中聲能的歸一化頻率特性曲線

在聲指向性實(shí)驗(yàn)中，在離壓電敏感元件5 cm處端面內(nèi)布置了7 個(gè)測(cè)點(diǎn)(L1，L2，L3，O，R1，R2，R3)，測(cè)試點(diǎn)位置的分布如圖6(a)所示，并根據(jù)圓盤活塞聲場(chǎng)指向性函數(shù)的定義計(jì)算并繪制了當(dāng)激勵(lì)頻率f為79 kHz在不同厚度背襯下聲指向性對(duì)比曲線如圖6(b)所示。

圖6 聲指向性實(shí)驗(yàn)中測(cè)試點(diǎn)位置和聲指向性的對(duì)比

由圖5可知，相比于不層合背襯的情況下，對(duì)埋入混凝土中的壓電陶瓷層合背襯后，接收端聲信號(hào)能量增大，且當(dāng)聲激勵(lì)頻率為壓電陶瓷的諧振頻率(約為79 kHz)時(shí)，接收端聲信號(hào)能量取極大值。同時(shí)，層合2片金屬背襯時(shí)接收端聲信號(hào)的能量最大，此時(shí)的背襯厚度為諧振點(diǎn)下的最優(yōu)背襯厚度(即當(dāng)聲激勵(lì)頻率一定時(shí)，使得接收端聲信號(hào)能量取最大值的背襯厚度)，其值為2.4 mm。當(dāng)減小或增加背襯厚度時(shí)，相同聲激勵(lì)頻率下，聲信號(hào)的能量反而減小，可見，最優(yōu)的背襯厚度同聲激勵(lì)頻率相關(guān)。并且，壓電陶瓷的諧振頻率(79 kHz)不會(huì)因?yàn)槁袢牖炷林卸l(fā)生改變，即應(yīng)力的變化不會(huì)影響壓電陶瓷的諧振點(diǎn)，文獻(xiàn)［12］也得出了相同的結(jié)論。

由圖6(b)可知，相比于不層合背襯的情況，當(dāng)埋入混凝土中的壓電陶瓷層合背襯后，聲指向性更加集中，在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，隨著聲激勵(lì)頻率不斷的增大，聲指向性有所提高，即聲信號(hào)的能量分布更加集中，并且聲輻射平面最大振幅區(qū)域都集中在中心位置。結(jié)合圖5和圖6可知，背襯將壓電陶瓷輻射一側(cè)的聲能反射到另一側(cè)，且聲信號(hào)的指向性也有所提高，使得原來向壓電陶瓷圓片兩側(cè)不同方向傳播的聲波由于背襯的反射而在同一側(cè)疊加，從而提高了聲信號(hào)激勵(lì)的效率，增大了單側(cè)聲信號(hào)的能量，并且聲信號(hào)能量的相對(duì)增量(層合背襯前后聲能之差與無背襯時(shí)聲能的比值)是隨背襯厚度和聲激勵(lì)頻率變化的。同時(shí)，通過對(duì)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算所得數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯擬合可得聲信號(hào)能量的相對(duì)增量隨背襯厚度與聲激勵(lì)頻率的乘積d×f變化的特性曲線，如圖7所示。

圖7 聲信號(hào)能量的相對(duì)增量隨背襯厚度與激勵(lì)頻率之積d×f變化的特性曲線

4 聲信號(hào)的功率譜分析

功率譜分析可以有效的研究信號(hào)在頻域上的特征以及提取有用的信號(hào)成分［13］。從聲信號(hào)能量的歸一化頻率特性曲線可知，最優(yōu)背襯厚度同聲激勵(lì)頻率相關(guān)，對(duì)接收端聲信號(hào)去噪后進(jìn)行功率譜分析如圖8所示，可以進(jìn)一步觀察在埋入混凝土中的壓電陶瓷層合背襯后接收端聲信號(hào)能量變化的規(guī)律和其在頻域上的特征。

從圖8(a)可知，當(dāng)聲激勵(lì)頻率f為33.5 kHz，壓電陶瓷層合1塊背襯時(shí)(即d×f=40.2)，聲信號(hào)能量的相對(duì)增量取極大值10.43，但此時(shí)的聲信號(hào)能量并不是最大值，因?yàn)槁暭?lì)頻率并不是壓電陶瓷的諧振頻率。由前文已知，當(dāng)聲激勵(lì)頻率為壓電陶瓷諧振頻率點(diǎn)79 kHz時(shí)，最優(yōu)背襯厚度約為2.4 mm，此時(shí)，聲信號(hào)能量的相對(duì)增量只有3.326 8。

從圖8(b)可知，當(dāng)聲激勵(lì)頻率f為47.8 kHz，壓電陶瓷層合2塊背襯時(shí)(即d×f=114.72)，聲信號(hào)能量的相對(duì)增量取極大值8.736 7，分別大于當(dāng)聲激勵(lì)頻率為47.8 kHz，壓電陶瓷不層合背襯，層合1塊背襯，層合3 塊背襯時(shí)(即d×f=0，57.36 和172.08)，聲信號(hào)能量的相對(duì)增量0，6.952 1 和0.563 8。

從圖8(c)可知，當(dāng)聲激勵(lì)頻率f為79 kHz，壓電陶瓷層合2塊背襯時(shí)(即d×f=189.6)，聲信號(hào)能量的相對(duì)增量取極大值3.326 8，分別大于當(dāng)聲激勵(lì)頻率為79 kHz，壓電陶瓷不層合背襯，層合1塊背襯，層合3 塊背襯(即d×f=0，94.8 和284.4)時(shí)，聲信號(hào)能量的相對(duì)增量的值0，1.066 4和1.531 2。同時(shí)，結(jié)合圖8(a)和圖8(b)可知，聲信號(hào)能量大其聲信號(hào)能量的相對(duì)增量并不一定大，且背襯沒有改變聲信號(hào)功率譜的主頻和主峰區(qū)間的頻率帶寬。

圖8 不同厚度背襯下聲信號(hào)的歸一化功率譜對(duì)比圖

圖7表明聲信號(hào)能量的相對(duì)增量是由d×f決定的，結(jié)合前文的聲信號(hào)能量的歸一化頻率特性曲線可知，聲信號(hào)的能量與聲信號(hào)能量的相對(duì)增量并不成線性關(guān)系，聲信號(hào)的能量大其聲能量的相對(duì)增量并不一定大，為提高聲信號(hào)的信噪比應(yīng)同時(shí)考慮金屬背襯厚度d和聲激勵(lì)頻率f對(duì)聲信號(hào)能量的影響，選擇適當(dāng)?shù)膁和f。

5 結(jié)論

超聲無損檢測(cè)是混凝土結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)中廣泛使用的方法，在埋入條件下，由于壓電陶瓷的電－聲特性受到混凝土凝固收縮的影響，使得壓電陶瓷聲激勵(lì)效率降低，且容易受到噪聲的干擾。本文提出了一種用金屬背襯將壓電陶瓷圓片厚度模式下雙側(cè)的聲信號(hào)集中到同一側(cè)，從而提高聲信號(hào)的指向性增強(qiáng)壓電陶瓷另一側(cè)聲波能量的方法，并利用信號(hào)處理技術(shù)對(duì)接收端聲信號(hào)進(jìn)行譜分析可以得出以下結(jié)論:

(1)在埋入混凝土中的壓電陶瓷圓片的一側(cè)層合金屬背襯層后，可以有效的將壓電陶瓷雙側(cè)聲能集中到一側(cè)，從而充分利用聲能提高接收端聲信號(hào)的信噪比，且沒有改變聲信號(hào)功率譜主峰區(qū)間的頻率帶寬以及壓電陶瓷的諧振頻率，這對(duì)于超聲無損檢測(cè)具有重要的實(shí)際意義。

(2)接收端聲信號(hào)能量的大小與背襯厚度和聲激勵(lì)頻率相關(guān)，實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)聲激勵(lì)頻率為79 kHz(壓電陶瓷的諧振頻率)時(shí)，最優(yōu)背襯厚度約為2.4 mm。

(3)聲信號(hào)的能量與聲信號(hào)能量的相對(duì)增量并不成線性關(guān)系，要提高接收端聲信號(hào)的信噪比應(yīng)同時(shí)考慮金屬背襯厚度d和聲激勵(lì)頻率f對(duì)聲信號(hào)能量的影響，選擇適當(dāng)?shù)谋骋r厚度d和聲激勵(lì)頻率f。

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