背襯對(duì)埋入混凝土中壓電陶瓷電－聲特性的影響*

李鵬程，陳 雨，譚 斌，陳 浩

(四川大學(xué)電子信息學(xué)院，成都610065)

混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部可能出現(xiàn)的不密實(shí)、裂縫及空洞區(qū)往往會(huì)影響結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性而造成不同程度的事故，所以需要對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)以監(jiān)測(cè)其健康狀況［1］。超聲脈沖法具有良好方向性與幾何特性，而且檢測(cè)靈敏度高，在工程中得到了廣泛的應(yīng)用［2－4］。但是，這種方法不能對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)健康狀況進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，難以承擔(dān)大型建筑設(shè)施長(zhǎng)期安全監(jiān)測(cè)的重任［5］。為實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)超聲無(wú)損監(jiān)測(cè)，文玉梅等提出了一種將壓電材料埋入混凝土中以實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土健康狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方法［6］。陳雨等研究了埋入條件下壓電元件在應(yīng)力和溫度作用下其耗散因子、損失特性的變化，制作了壓電埋入式混凝土機(jī)敏模塊［7－9］。該模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)力和溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。但該方法通過(guò)檢測(cè)埋入混凝土中壓電元件的等效參數(shù)對(duì)應(yīng)力和溫度進(jìn)行反推，是一種被動(dòng)檢測(cè)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土內(nèi)部缺陷的主動(dòng)檢測(cè)。

壓電陶瓷具有逆壓電效應(yīng)，所以通過(guò)激勵(lì)埋入混凝土中的壓電元件產(chǎn)生聲波并通過(guò)壓電換能器接收聲信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聲波傳播路徑上混凝土內(nèi)部缺陷的檢測(cè)。但是，埋入過(guò)程中，壓電陶瓷在混凝土干縮應(yīng)力的作用下，其電－聲轉(zhuǎn)換能性能降低，使產(chǎn)生的聲信號(hào)能量減小。聲信號(hào)還會(huì)在混凝土內(nèi)部傳播過(guò)程中進(jìn)一步衰減，使接受到的聲信號(hào)信噪比降低，增加混凝土缺陷檢測(cè)的誤差。文獻(xiàn)［10］對(duì)埋入條件下的壓電陶瓷圓片振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行了仿真研究，研究表明，薄圓片壓電陶瓷厚度振動(dòng)模態(tài)下聲場(chǎng)關(guān)于中心圓面對(duì)稱分布，而聲波則沿軸向相反方向傳播。根據(jù)埋入混凝土中圓片形壓電陶瓷厚度振動(dòng)模態(tài)下聲信號(hào)關(guān)于圓面對(duì)稱的特性，本文利用聲波的反射和透射特性，在埋入混凝土中的 PZT壓電陶瓷(PZT5H鈮鎂鋯鈦酸鉛三元系壓電陶瓷)一側(cè)層合一定厚度的金屬背襯，制成了層合金屬背襯的壓電埋入式混凝土機(jī)敏模塊。分析了接收信號(hào)的能量和時(shí)、頻域特性。分析結(jié)果表明，特定厚度的背襯能改善電－聲特性產(chǎn)生的聲信號(hào)指向性，增強(qiáng)接收信號(hào)的能量提高其信噪比;可使接收信號(hào)能量增幅最大的背襯最佳厚度同激勵(lì)的聲信號(hào)頻率有關(guān)。

1 聲壓反射率

聲波在傳播的過(guò)程中遇到由聲阻抗不同的介質(zhì)構(gòu)成的界面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射現(xiàn)象。埋入混凝土中的PZT壓電陶瓷特性受到混凝土復(fù)雜力學(xué)環(huán)境的影響。實(shí)驗(yàn)表明，壓電陶瓷圓片厚度振動(dòng)模態(tài)下產(chǎn)生的聲波主要沿軸向往相反方向傳播，在壓電陶瓷一側(cè)設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)谋骋r可以將一側(cè)的聲波部分反射到另一側(cè)，從而提高聲波指向性，增加單側(cè)聲波的能量。圖1為埋入混凝土中壓電陶瓷背襯對(duì)聲波反射的示意圖，(a)是層合金屬背襯后的壓電陶瓷模塊示意圖，(b)壓電陶瓷單側(cè)聲波被背襯反射的示意圖(壓電陶瓷同背襯間的間隔被夸大畫(huà)出)。

圖1 金屬背襯反射聲波示意圖

根據(jù)文獻(xiàn)［11］的雙界面反射公式以及在第一、三介質(zhì)中有第二介質(zhì)層這一情況的反射公式，考慮到本研究中混凝土、壓電陶瓷及金屬背襯所形成的多介質(zhì)單元的具體情況，得到求解聲波反射率的修正式(1)。

其中R為聲壓反射率，Pi為入射波的聲壓，Pr為反射波的聲壓，Z1為PZT壓電陶瓷聲阻抗，Z2為金屬背襯聲阻抗，Z3為混凝土聲阻抗，d為金屬背襯厚度，λ=c/f為聲波在金屬背襯中的波長(zhǎng)，c為聲波在金屬背襯中波速，f為頻率。

層合金屬背襯的壓電埋入式混凝土機(jī)敏模塊選用的PZT5H鈮鎂鋯鈦酸鉛三元系壓電陶瓷聲阻抗為5．9×106gn/(cm2·s)。水泥砂漿的抗壓等級(jí)M10，聲阻抗為6．34×106gn/(cm2·s)。金屬背襯為直徑2.5 cm，厚1．2 mm的合金金屬圓片，主要成分為鉛、鋁、鎳，聲阻抗為4．3×106gn/(cm2·s)，聲波在構(gòu)成金屬背襯的金屬圓片中的傳播速度為4 500 m/s。為了研究一定頻率下不同厚度的金屬背襯與聲壓反射率的關(guān)系，利用式(1)對(duì)PZT5H壓電陶瓷的諧振頻率79 kHz(壓電陶瓷的諧振頻率不會(huì)因?yàn)槁袢攵l(fā)生變化［10］)以及非諧振頻率47．8 kHz進(jìn)行仿真，圖2 為根據(jù)式(1)得到的不同厚度的金屬背襯與聲壓反射率的關(guān)系。當(dāng)激勵(lì)頻率為79 kHz時(shí)，最大反射率對(duì)應(yīng)的背襯厚度為2．27 mm。當(dāng)頻率為47．8 kHz時(shí)，最大反射率對(duì)應(yīng)的背襯厚度為2．11 mm。

圖2 不同厚度的金屬背襯與聲壓反射率的關(guān)系

2 壓電埋入式混凝土模塊設(shè)計(jì)

使用起聲阻抗匹配作用的硅橡膠(單組份室溫硫化硅橡膠)將一片至數(shù)片金屬圓片與壓電陶瓷層合至一起，可構(gòu)成不同厚度的金屬背襯。另外，壓電陶瓷本身較脆，混凝土凝固過(guò)程中產(chǎn)生的收縮應(yīng)力可能導(dǎo)致壓電陶瓷片損壞，所以壓電陶瓷外的硅橡膠還起保護(hù)、絕緣和防腐蝕的作用［12］。圖3為覆蓋橡膠層的PZT壓電陶瓷及實(shí)驗(yàn)中所用到的金屬背襯。

圖3 覆蓋橡膠層的PZT壓電陶瓷及金屬背襯

實(shí)驗(yàn)所用水泥強(qiáng)度等級(jí)為32．5R，水泥砂漿的抗壓等級(jí)為M10，混凝土抗壓模規(guī)格為100 mm×100 mm×100 mm。層合金屬背襯的壓電埋入式混凝土機(jī)敏模塊超聲無(wú)損檢測(cè)系統(tǒng)的工作示意圖及制作好的層合金屬背襯的壓電埋入式混凝土機(jī)敏模塊如圖4所示。由信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的頻率范圍為20 kHz～250 kHz的正弦脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)混凝土模塊中的壓電陶瓷發(fā)出超聲波［13］。超聲波通過(guò)混凝土后攜帶了混凝土的信息，使用3號(hào)通用鋰基脂作為耦合劑，由外部的接收換能器接收攜帶混凝土信息的超聲信號(hào)，并將信號(hào)傳入示波器進(jìn)行分析。

圖4 系統(tǒng)的工作示意圖及實(shí)物圖

文獻(xiàn)［10］對(duì)埋入狀態(tài)下的壓電陶瓷諧振頻率的研究表明:壓電陶瓷在埋入狀態(tài)下諧振頻率不發(fā)生改變。所以選取PZT5H的諧振頻率79 kHz以及以另一可使壓電陶瓷產(chǎn)生較大能量的參考頻率作為激勵(lì)頻率。通過(guò)信號(hào)發(fā)生器掃頻得到參考頻率的值為47．8 kHz。所以，對(duì)層合金屬背襯的壓電埋入式混凝土機(jī)敏模塊的研究主要圍繞這兩個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行。圖5為掃頻后各頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的峰峰值曲線圖。

圖5 各頻率對(duì)應(yīng)峰峰值曲線

為研究不同厚度金屬背襯在不同頻率的激勵(lì)信號(hào)下的聲指向性，針對(duì)兩種激勵(lì)頻率下的最優(yōu)厚度，分別設(shè)計(jì)了0～3塊金屬圓片作為金屬背襯的四組PZT壓電陶瓷模塊，其中1塊及3塊金屬背襯為對(duì)應(yīng)最優(yōu)厚度2塊金屬背襯的對(duì)照組。其剖面圖如圖6(a)～6(d)所示。

圖6 層合金屬背襯的PZT壓電陶瓷模塊剖面圖

由于埋入混凝土中的壓電陶瓷模塊為圖6所示的復(fù)合結(jié)構(gòu)，不能確定該復(fù)合結(jié)構(gòu)是否會(huì)影響壓電陶瓷的諧振頻率，所以對(duì)層合不同厚度金屬背襯的壓電埋入式混凝土機(jī)敏模塊進(jìn)行掃頻，得到不同背襯厚度條件下各頻率對(duì)應(yīng)峰峰值曲線如圖7所示。

圖7 不同背襯厚度條件下各頻率對(duì)應(yīng)峰峰值曲線

由圖7可以看出，層合不同厚度的金屬背襯并沒(méi)有改變壓電陶瓷的諧振頻率，各壓電陶瓷模塊的峰峰值在參考頻率點(diǎn)處均取得了較大的值，所以層合背襯后并沒(méi)有改變壓電陶瓷的頻率特性，可以對(duì)壓電埋入式混凝土機(jī)敏模塊在諧振頻率點(diǎn)79 kHz和參考頻率點(diǎn)47．8 kHz處進(jìn)行分析研究。

3 信號(hào)時(shí)域圖及幅度譜分析

分別對(duì)28 d的層合四種不同厚度金屬背襯的水泥砂漿試模在79 kHz、48 kHz兩種激勵(lì)頻率下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并利用信號(hào)時(shí)域圖及幅度譜對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)能量、波形及頻率成分三方面進(jìn)行分析，以確定在壓電埋入式混凝土機(jī)敏模塊中層合金屬背襯對(duì)檢測(cè)信號(hào)能量及頻率等參數(shù)的影響。圖8、圖9為不同金屬背襯厚度的機(jī)敏模塊分別在激勵(lì)頻率為79 kHz、47．8 kHz條件下的超聲無(wú)損檢測(cè)接收信號(hào)的歸一化信號(hào)時(shí)域圖及幅度譜，其中用于頻譜分析的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為6 000點(diǎn)，采樣頻率為5 MHz。

圖8 頻率為79 kHz的接收信號(hào)時(shí)域圖及幅度譜

圖9 頻率為47．8 kHz的接收信號(hào)時(shí)域圖及幅度譜

從圖8、圖9中的(a)～(d)可以看出:對(duì)于相同的激勵(lì)頻率，各混凝土模塊的無(wú)金屬背襯一側(cè)對(duì)應(yīng)的接收信號(hào)的波形未發(fā)生畸變、幅度值明顯提升。對(duì)(e)～(h)進(jìn)行對(duì)比可以看出，不層合背襯時(shí)，無(wú)金屬背襯一側(cè)接收到的超聲信號(hào)的頻率的主要成分分布在激勵(lì)頻率附近一定范圍內(nèi)，而加入背襯之后的頻率成分并沒(méi)有發(fā)生改變，主頻仍然在79 kHz和47．8 kHz處。這說(shuō)明層合背襯模塊的接收信號(hào)頻率范圍與無(wú)背襯模塊的范圍相同，主頻未發(fā)生頻率漂移。為確定能量的具體變化情況，理論計(jì)算得到的反射率與實(shí)驗(yàn)得到的接收信號(hào)的峰峰值和總能量值如下表1所示。

表1 不同頻率、不同背襯厚度條件下的接收信號(hào)幅度峰峰值及總能量值與理論反射率的關(guān)系表

由表1可以看出，在這三種頻率下，背襯對(duì)壓電埋入式混凝土模塊的無(wú)金屬背襯一側(cè)的超聲無(wú)損檢測(cè)接收信號(hào)能量起到了明顯的增幅作用，不同的背襯厚度對(duì)應(yīng)的增幅效果有所差別。當(dāng)激勵(lì)頻率為79 kHz時(shí)，層合2塊金屬圓片的接收信號(hào)能量最大，相對(duì)于無(wú)金屬背襯模塊的信號(hào)增幅為4．39倍，而理論計(jì)算得到的反射率也為最大，為83%;當(dāng)激勵(lì)頻率為47．8 kHz時(shí)，層合2塊金屬圓片的接收信號(hào)能量仍然最大，能量最大增幅6．22倍，理論計(jì)算得到的反射率為81%，但是能量增幅以及理論反射率均與層合1塊金屬背襯時(shí)的情況更為接近。

經(jīng)過(guò)以上分析可知:①層合金屬背襯后，壓電埋入式混凝土機(jī)敏模塊無(wú)金屬背襯一側(cè)的聲指向性明顯得到改善，能量得到提升。②由表1看出，聲壓反射率越大，單側(cè)能量增幅越大，反之亦然。說(shuō)明聲壓反射率與單側(cè)能量增幅呈非線性的正比關(guān)系。③對(duì)于79 kHz和47．8 kHz這兩種頻率，最優(yōu)金屬背襯厚度在1片到2片金屬圓片之間。由對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可看出，隨著激勵(lì)頻率的降低，最優(yōu)背襯厚度將逐漸減小，這與理論計(jì)算所得數(shù)據(jù)相似。④兩種激勵(lì)頻率得到的能量增幅倍數(shù)并不相同，79 kHz時(shí)的增幅倍數(shù)較小，47．8 kHz時(shí)的增幅倍數(shù)較大。由此可知，背襯對(duì)小信號(hào)的能量增幅作用更為明顯。由于混凝土內(nèi)部的微界面的存在使得傳播的聲波發(fā)生漫反射現(xiàn)象，導(dǎo)致激勵(lì)頻率高時(shí)探傷的靈敏度高，但是傳播距離短，頻率低時(shí)恰恰相反，所以背襯對(duì)小信號(hào)提高檢測(cè)靈敏度有著重要意義。

4 結(jié)論

本文提出了一種通過(guò)層合金屬背襯來(lái)增強(qiáng)壓電埋入式混凝土機(jī)敏模塊的超聲無(wú)損檢測(cè)信號(hào)聲指向性的方法。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析表明:不同頻率下，層合金屬背襯的混凝土機(jī)敏模塊無(wú)金屬背襯一側(cè)的接收信號(hào)能量提升了2～6倍，且波形沒(méi)有出現(xiàn)畸變，主頻未出現(xiàn)漂移。因?yàn)楸骋r對(duì)較小的接收信號(hào)可以起到很好的改善效果，而且背襯體積小，不會(huì)影響混凝土結(jié)構(gòu)的承載力及耐久性，取材容易且造價(jià)低廉，所以很容易針對(duì)實(shí)際情況選擇合適的頻率和背襯，將層合金屬背襯的壓電埋入式混凝土機(jī)敏模塊大量應(yīng)用在路橋、大壩等信噪比低，待測(cè)構(gòu)件厚且需要長(zhǎng)期進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)的大型混凝土結(jié)構(gòu)當(dāng)中，具有很高的實(shí)用性。

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