超聲導(dǎo)波目標模式的激勵方法研究

丁濤濤, 郭 宇, 項延訓

(1. 江蘇徐工國重實驗室科技有限公司,江蘇 徐州 221004;2. 高端工程機械智能制造國家重點實驗室,江蘇 徐州 221004;3. 華東理工大學 機械與動力工程學院,上海 200237)

近三十年,國內(nèi)外學者針對超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)在無損檢測和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用開展了大量的理論和應(yīng)用研究,逐步實現(xiàn)了遠距離、不可接觸區(qū)域以及復(fù)雜曲面構(gòu)件的損傷檢測及定位成像[1-3]。然而,超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)仍然存在諸多難題亟需解決,例如超聲導(dǎo)波頻散和多模式特性的存在導(dǎo)致導(dǎo)波信號分析復(fù)雜化,使得超聲導(dǎo)波信號中有效信息的提取變得比較困難。因此,相關(guān)學者針對上述問題開展了導(dǎo)波信號分析處理方法以及超聲換能器設(shè)計優(yōu)化等方面的研究。通過設(shè)計優(yōu)化超聲換能器可以實現(xiàn)導(dǎo)波目標模式的激勵,從而獲得理想的導(dǎo)波信號。超聲導(dǎo)波目標模式的激勵可以解決導(dǎo)波多模式特性帶來的難題,從而有效降低導(dǎo)波信號處理分析的難度,提高損傷檢測及定位成像的準確性。

導(dǎo)波目標模式的激勵主要通過具有模式選擇能力的超聲換能器實現(xiàn),包括窄帶超聲換能器、帶有角度的超聲換能器、梳狀換能器等[4]。窄帶超聲換能器可以在一定程度上限制導(dǎo)波信號的頻率范圍避免較多模式導(dǎo)波信號的同時存在。然而任意頻率下仍然存在兩個或兩個以上的導(dǎo)波模式,該方法無法獲得理想的單模式導(dǎo)波信號。帶有角度的超聲換能器使用特定角度的斜塊調(diào)控導(dǎo)波信號的相速度,從而在某一頻率下獲得目標模式的導(dǎo)波信號。但是受到換能器尺寸以及耦合條件的影響不適用于長期粘貼在待測構(gòu)件表面進行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。梳狀換能器主要利用梳狀電極中指間間距與導(dǎo)波波長之間的關(guān)系,在某一頻率下獲得特定波長的導(dǎo)波信號[5-9]。除此之外,梳狀換能器具有結(jié)構(gòu)輕量化、外形較薄、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、柔性等良好特性,可以通過選擇壓電薄膜材料的頻響區(qū)間、設(shè)計梳狀電極指間間距的尺寸和調(diào)整激勵信號的脈沖延遲實現(xiàn)目標模式導(dǎo)波信號的激勵,從而滿足多種工況環(huán)境的導(dǎo)波檢測需求。

梳狀換能器主要源于聲表面波(surface acoustic wave,SAW)器件的發(fā)展。1965年,White等[10]首次提出梳狀電極,并將其用于產(chǎn)生聲表面波。1967年,Viktorov[11]討論了梳狀換能器在無損檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用。20世紀90年代,賓夕法尼亞大學Pelts研究團隊[12-13]將梳狀換能器應(yīng)用于超聲導(dǎo)波損傷檢測,通過選擇性激勵和接收特定模式的導(dǎo)波信號,以此提高不同類型損傷檢測的準確性。帝國理工大學Wilcox研究團隊[14]開展了梳狀換能器的振動方式以及激勵特定模式導(dǎo)波信號方法等方面的工作。國內(nèi),北京理工大學Fu等[15]對梳狀換能器的導(dǎo)波模式選擇能力進行了研究,總結(jié)了導(dǎo)波模式選擇的方法,驗證了梳狀換能器在鋁板上激勵特定模態(tài)導(dǎo)波信號的能力。北京工業(yè)大學何存富等[16]對梳狀換能器的相關(guān)參數(shù)進行了研究,設(shè)計制作了新型的柔性寬帶梳狀換能器并將其用于管道表面缺陷的檢測。為了滿足智能結(jié)構(gòu)的發(fā)展和應(yīng)用,實現(xiàn)智能超聲換能器結(jié)構(gòu)設(shè)計,Shen等[17]提出了一種直寫式梳狀換能器用于損傷檢測研究。Li等[18-19]使用梳狀換能器驗證了薄管中非線性超聲導(dǎo)波二次諧波信號的產(chǎn)生,并將其應(yīng)用于熱疲勞損傷表征試驗。Zhu等將聚偏二氟乙烯(polyvinylidene difluoride,PVDF)梳狀換能器應(yīng)用于非線性超聲導(dǎo)波檢測試驗,驗證了接收諧波信號的效果。

通過設(shè)計梳狀換能器中梳狀電極的結(jié)構(gòu)以及選取合適的壓電材料,可以實現(xiàn)濾波、調(diào)控聲場和目標模式導(dǎo)波信號的激勵等功能。本文在理論分析的基礎(chǔ)上利用有限元仿真方法驗證了梳狀換能器激勵產(chǎn)生目標模式導(dǎo)波信號的能力。然后,開展了梳狀換能器與傳統(tǒng)鋯鈦酸鉛壓電陶瓷(piezoelectric ceramic,PZT)的對比試驗研究,并且設(shè)計不同聲場指向性梳狀換能器以適用于不同工況環(huán)境中的損傷檢測及定位成像。

1 理論分析及性能表征

本文中梳狀換能器主要是由PVDF壓電薄膜、梳狀電極、聚酰胺背襯材料以及粘接層組成,如圖1所示。在制作過程中,用雙面導(dǎo)電膠帶(3Mz-軸導(dǎo)電膠帶,9703)或氰基丙烯酸酯膠層(樂泰406)在PVDF壓電薄膜的一側(cè)粘接帶有梳狀銅電極的聚酰胺背襯[20]。粘接層自然風干后,將導(dǎo)線焊接或使用銀漿粘接在梳狀電極的連接束上用于信號的傳輸。最后,將制作完成的梳狀換能器粘接到待測試樣表面用于超聲導(dǎo)波信號的激勵和接收。

圖1 梳狀換能器結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 梳狀電極理論分析

梳狀換能器進行目標模式導(dǎo)波信號的激勵主要依據(jù)于梳狀電極相關(guān)參數(shù)的設(shè)計。梳狀電極的相關(guān)參數(shù)主要包括指間間距L、指寬a、指數(shù)n、指長W和指間間隙b,其中指間間距L=a+b,如圖2所示?；谳敵鍪噶亢头椒ɡ碚撻_展梳狀電極驅(qū)動激勵超聲導(dǎo)波信號的理論研究。

圖2 梳狀電極結(jié)構(gòu)圖

假設(shè)電信號以相同的振幅驅(qū)動每根指進行超聲導(dǎo)波信號的激勵,且超聲導(dǎo)波在傳播過程中沒有衰減。由于梳狀電極中所有指的指寬a、指長W均相等,根據(jù)指的周期性陣列,相鄰指之間的相位差表示為

Δφ=ωτ=ωL/vp

(1)

式中:ω為聲同步頻率;τ為時間;vp為相速度。梳狀電極的總輸出為所有指的輸出之和,即

Ht=H0ejωτ[1+ejΔφ+ej2Δφ+…+ej(n-1)Δφ]

(2)

當Δφ=2π時,由式(1)可得

L=2πvp/ω=vp/f=λ

(3)

式中,f和λ分別為頻率和波長。梳狀電極的總輸出達到最大值為

Ht,max=nH0ejωt

(4)

由此可得,梳狀電極總輸出達到最大值的條件是指間間距L等于超聲導(dǎo)波的波長λ。因此,梳狀換能器在滿足相應(yīng)條件時可以實現(xiàn)特定頻率下目標模式導(dǎo)波信號的選擇性激勵,從而避免多模式特性給導(dǎo)波損傷檢測及定位成像帶來的影響。

基于上文中的理論分析結(jié)果,并且考慮到導(dǎo)波信號的波長可以在相速度頻散曲線中進行標定。因此,通過構(gòu)建梳狀電極中指間間距與頻散曲線之間的關(guān)系,從而更加直觀地應(yīng)用梳狀換能器進行導(dǎo)波目標模式的選擇性激勵。2 mm厚7075鋁合金的相速度和群速度頻散曲線,如圖3所示。

圖3 2 mm厚7075鋁合金頻散曲線

基于導(dǎo)波波長計算公式λ=vp/f,可得波長λ為固定厚度薄板的相速度頻散曲線中通過原點斜線的斜率。斜線在相速度頻散曲線中會與多個導(dǎo)波模式的頻散曲線存在交點,表明使用對應(yīng)波長設(shè)計的梳狀換能器可以在交點所對應(yīng)的頻率下激勵產(chǎn)生目標模式導(dǎo)波信號。例如,圖3(a)中存在的斜線對應(yīng)的導(dǎo)波波長為3.5 mm,分別在頻率為0.7 MHz、1.1 MHz、1.6 MHz、1.8 MHz、2.4 MHz和2.5 MHz時,與A0,S0,A1,S1,A2和S2模式存在交點,表明使用指間間距L為3.5 mm的梳狀換能器在相應(yīng)頻率下可以分別激勵出對應(yīng)模式的導(dǎo)波信號。我們利用每種模式導(dǎo)波信號在不同頻率下群速度不同的特點,通過試驗測量已經(jīng)驗證了該分析結(jié)果。圖3(b)為群速度頻散曲線,可以清晰地看到對應(yīng)頻率下不同模式導(dǎo)波信號在7075鋁合金薄板中的傳播速度。

1.2 柔性PVDF壓電薄膜性能表征

PVDF作為一種高分子鐵電聚合物材料,相較于石英晶體以及陶瓷類固體壓電材料,具有頻率響應(yīng)寬、聲阻抗低、柔軟性能好以及抗沖擊能力強等優(yōu)點[21-22]。本文中使用的PVDF壓電薄膜為β相,其具有獨特的介電、壓電和熱電性能?；赑VDF壓電薄膜柔性以及易于裁剪加工的特性,將其設(shè)計制作成梳狀換能器并應(yīng)用于7075鋁合金薄板的導(dǎo)波測量試驗。為了獲得PVDF壓電薄膜的頻率響應(yīng)曲線以及驗證其在7075鋁合金材料中激勵和接收超聲信號的能力,本文采用超聲縱波自發(fā)自收的試驗測量方法分別對100 μm和200 μm厚的PVDF壓電薄膜開展測量試驗。兩種PVDF壓電薄膜除了厚度不同之外,其他參數(shù)均相同,材料詳細參數(shù)如表1所示。

表1 PVDF壓電薄膜的材料參數(shù)

PVDF壓電薄膜材料極化之后在上、下表面蒸鍍一層鋁電極,采用銀漿粘接的方式連接導(dǎo)線進行信號傳輸。將PVDF壓電薄膜裁剪加工成半徑為10 mm的圓片狀。除此之外,為了研究背襯材料對PVDF壓電薄膜頻率響應(yīng)的影響,分別在兩種厚度的PVDF壓電薄膜上側(cè)粘貼厚度約為100 μm的聚酰胺背襯材料。試驗測量過程中,采用甘油作為耦合劑分別將不同厚度以及是否存在背襯材料的圓片狀PVDF壓電薄膜耦合在邊長為40 mm的7075鋁合金材料正方體結(jié)構(gòu)的上表面。使用RAM-SNAP-5000高能超聲檢測系統(tǒng)驅(qū)動PVDF壓電薄膜在7075鋁合金材料中產(chǎn)生超聲縱波信號。當超聲縱波信號接觸到鋁合金材料的下邊界時發(fā)生邊界反射,最終由PVDF壓電薄膜再次接收到邊界反射信號。

使用RAM-SNAP-5000高能超聲檢測系統(tǒng)中自帶的掃頻功能,對不同厚度以及是否存在背襯材料的PVDF壓電薄膜進行掃頻分析,設(shè)定掃頻范圍為0.2～6.0 MHz,信號周期數(shù)為5。最終獲得不同試驗情況下PVDF壓電薄膜的頻率響應(yīng)曲線,如圖4所示。

圖4 不同類型PVDF壓電薄膜的頻響曲線

由圖4可知,每種類型的PVDF壓電薄膜的頻率響應(yīng)范圍,符合PVDF壓電薄膜寬頻響的特性。其中,厚度為100 μm且無背襯材料的PVDF壓電薄膜的中心頻率為4.0 MHz,粘貼背襯材料之后中心頻率變?yōu)?.2 MHz;厚度為200 μm且無背襯材料的PVDF壓電薄膜的中心頻率為2.0 MHz,粘貼背襯材料之后中心頻率變?yōu)?.0 MHz。由此可知,背襯材料對PVDF壓電薄膜的頻率響應(yīng)起到了較大的影響作用。另外,PVDF壓電薄膜厚度引起中心頻率的變化符合壓電材料頻響與厚度成反比的理論結(jié)果。該部分工作為PVDF梳狀換能器設(shè)計制作提供了試驗參考依據(jù),可以根據(jù)不同導(dǎo)波模式所對應(yīng)的頻率進行PVDF壓電薄膜厚度和背襯材料的選擇。

2 有限元仿真分析

考慮到梳狀換能器以及待測試樣的對稱性,本文建立二維多物理場仿真模型用于驗證梳狀換能器進行導(dǎo)波目標模式激勵的效果。仿真模型主要由換能器和7075鋁合金薄板兩部分構(gòu)成,其中換能器仿真模型存在兩種,分別為平面換能器模型和梳狀換能器模型。通過對兩種換能器模型仿真模擬結(jié)果的比較分析,以驗證梳狀換能器的導(dǎo)波目標模式激勵效果。將兩種換能器分別布置在厚度為2 mm,長度為150 mm的7075鋁合金薄板上側(cè),如圖5(a)所示。兩種換能器仿真模型的結(jié)構(gòu)組成如圖5(b)所示。從換能器結(jié)構(gòu)圖中可以看出,兩種換能器仿真模型的主要區(qū)別體現(xiàn)在表面電極的布置方式。平面換能器模型的正極是使用一條沒有間斷的線段模擬平面電極,梳狀換能器模型是使用多條相等長度的線段模擬梳狀電極,線段和間隙的長度之和等于待激勵模式超聲導(dǎo)波信號的波長。兩個模型均由PVDF壓電薄膜、水(耦合劑)和7075鋁合金薄板(待測試樣)構(gòu)成,其中PVDF壓電薄膜的厚度為0.2 mm,水在其中作為耦合劑,厚度為0.1 mm,7075鋁合金薄板的厚度為2 mm。

圖5 二維仿真模型示意圖

將模型中PVDF壓電薄膜的下表面作為接地端,上表面作為正極進行加漢寧窗正弦脈沖電壓信號的激勵,函數(shù)公式為

(5)

式中:A為輸出電壓值;A0為初始電壓值;f為頻率;t為時間;m為周期數(shù)。

有限元仿真過程中,初始電壓值A(chǔ)0=100 V,頻率f=0.7 MHz,周期數(shù)m=10。梳狀換能器模型中有效電極線段的長度為1.75 mm,周期長度為3.5 mm,共有5個周期,即梳狀電極的相關(guān)參數(shù)為指寬a=1.75 mm,指間間距L=3.5 mm,指數(shù)n=5。根據(jù)圖3中相速度頻散曲線可得,波長λ=3.5 mm和頻率f=0.7 MHz對應(yīng)的交點落在A0模式頻散曲線上,即有限元仿真中的目標模式導(dǎo)波信號為反對稱A0模式。有限元仿真結(jié)果顯示了兩種不同換能器模型激勵產(chǎn)生導(dǎo)波信號并在薄板中傳播的情況,相同時間點處薄板中導(dǎo)波信號傳播的面內(nèi)位移場,如圖6所示。由圖6可知,兩種換能器均能激發(fā)出對稱和反對稱模式導(dǎo)波信號。平面換能器模型激勵的導(dǎo)波信號以對稱模式為主,而梳狀換能器模型激勵的導(dǎo)波信號以反對稱模式為主。

圖6 不同換能器模型中導(dǎo)波信號在板中傳播的面內(nèi)位移場

為了能夠準確辨別薄板中傳播的反對稱和對稱模式的導(dǎo)波信號,在兩種仿真模型中相同傳播距離處設(shè)置點探針進行導(dǎo)波時域信號的接收,結(jié)果如圖7所示。通過計算導(dǎo)波時域信號的傳播速度,得到對稱模式導(dǎo)波信號在薄板中的傳播速度為4.53 km/s,與頻率為0.7 MHz時S0模式對應(yīng)的群速度(4.77 km/s)相近;反對稱模式導(dǎo)波信號在薄板中的傳播速度為3.21 km/s,與頻率為0.7 MHz時A0模式對應(yīng)的群速度(3.18 km/s)相近。因此,結(jié)果表明平面換能器激勵產(chǎn)生的信號以對稱S0模式為主,梳狀換能器激勵產(chǎn)生的信號以反對稱A0模式為主,從而驗證了梳狀換能器對A0模式導(dǎo)波信號的選擇性激勵能力。

圖7 兩種換能器模型在相同傳播距離獲得的導(dǎo)波時域信號

3 試驗研究

本文使用PVDF梳狀換能器和PZT壓電片依次作為導(dǎo)波信號的激勵端和接收端,從而通過試驗測量方法驗證梳狀換能器激勵目標模式導(dǎo)波信號的效果。試驗過程中,使用RAM-SNAP-5000高能超聲系統(tǒng)進行加漢寧窗正弦脈沖信號的激勵,設(shè)定頻率為0.7 MHz,周期數(shù)為10,試驗原理如圖8所示。該試驗測量過程中共存在四種情況,最終可以獲得每種試驗測量情況下的導(dǎo)波時域信號,如圖9所示。圖9(a)為兩個相同的PZT壓電片分別作為導(dǎo)波信號激勵端和接收端時獲得的時域信號,通過計算傳播速度并與群速度頻散曲線進行比較可以得到S0和A0模式的存在。圖9(b)為兩個相同的梳狀換能器同時作為導(dǎo)波信號激勵端和接收端時獲得的時域信號,通過分析可以得到僅有A0模式導(dǎo)波信號的存在。圖9(c)為梳狀換能器作為導(dǎo)波信號的激勵端而PZT壓電片作為導(dǎo)波信號接收端時獲得的時域信號,通過分析可以得到S0和A0模式的存在。然而,考慮受到PZT頻響特性和PVDF壓電性能的影響,梳狀換能器作為信號激發(fā)端時并未展示出明顯的目標模式導(dǎo)波信號激勵能力。圖9(d)為PZT壓電片作為導(dǎo)波信號的激勵端,而梳狀換能器作為導(dǎo)波信號接收端時獲得的時域信號,通過分析可以得到S0和A0模式的存在。綜上所述,梳狀換能器相較于PZT壓電片具有較好的導(dǎo)波模式選擇效果,對于特定波長的導(dǎo)波信號具有較好的選擇性。

圖9 梳狀換能器和PZT壓電片分別作為信號激勵端和接收端獲得的時域信號(傳播距離均為100 mm)

超聲換能器的聲場指向性和聲波束擴散角將決定所激勵的導(dǎo)波信號在待測構(gòu)件中能夠覆蓋的檢測區(qū)域。為了提高大面積構(gòu)件的檢測效率以及局部損傷檢測的可靠性,不同聲場指向性和聲波束擴散角的梳狀換能器被研究并應(yīng)用。本文針對梳狀換能器中梳狀電極的幾何形狀進行優(yōu)化設(shè)計,分別制作了四分之一全向和全向梳狀換能器,其組成部分與圖1所示的梳狀換能器結(jié)構(gòu)相同,主要由PVDF壓電薄膜、梳狀電極、聚酰胺背襯和黏接層組成?；诩す獬暀z測方法開展了不同形狀梳狀換能器聲場指向性試驗研究。使用信號發(fā)生器和功率放大器驅(qū)動梳狀換能器在鋁合金薄板中產(chǎn)生導(dǎo)波信號,TEMPO-2D激光超聲接收器(TEMPO-2D Laser Ultrasonic Receiver, Sound &Bright, USA)在遠場區(qū)域進行導(dǎo)波信號的接收,試驗原理如圖10所示。

圖10 聲場指向性試驗原理圖

四分之一全向梳狀換能器主要由旋轉(zhuǎn)角度為90°的梳狀電極和電極連接束構(gòu)成,如圖11(a)所示。其中:指間間距L=3.5 mm;指數(shù)n=5;內(nèi)徑r=5 mm;外徑根據(jù)公式R=r+(n-0.5)×L計算可得R=20.8 mm。該梳狀換能器可以布置在待測構(gòu)件的邊角處,用于局部區(qū)域內(nèi)損傷的定位成像研究。全向梳狀換能器的旋轉(zhuǎn)角度為360°,其他參數(shù)與四分之一全向梳狀換能器相同,如圖11(b)所示。該梳狀換能器可以布置在待測構(gòu)件的中心位置進行全區(qū)域范圍內(nèi)的損傷檢測。試驗過程中,將梳狀換能器粘貼在7075鋁合金薄板表面進行導(dǎo)波信號的激勵,頻率為0.7 MHz,周期為10。TEMPO-2D激光接收器在距離換能器100 mm圓周的鋁合金薄板上表面接收離面位移信號,信號接收的范圍為0°～360°,每隔10°設(shè)置一個信號接收點。將接收的導(dǎo)波時域信號進行快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)分析,然后基于信號幅值的最大值進行歸一化處理,最終分別得到四分之一全向和全向梳狀換能器的聲場指向性試驗測量結(jié)果,見圖11。經(jīng)過計算得到四分之一全向梳狀換能器中大圓周側(cè)導(dǎo)波信號聲束的-6 dB擴散角約為80°,在中間60°范圍內(nèi)的導(dǎo)波信號幅值波動較小。盡管四分之一全向梳狀換能器的旋轉(zhuǎn)角度為90°,然而聲波束的有效擴散角度卻小于90°。因此,使用四分之一全向梳狀換能器開展損傷檢測及定位試驗研究時,應(yīng)該考慮聲場指向性和聲波束擴散角對超聲導(dǎo)波有效檢測范圍的影響。全向梳狀換能器聲場指向性結(jié)果,見圖11(b)。由圖11可知,在梳狀換能器的梳狀電極連接處出現(xiàn)幅值減小的現(xiàn)象,表明梳狀電極連接束的存在對換能器的指向性存在一定的影響,影響范圍約為85°,其他角度范圍內(nèi)的信號幅值波動較小。

圖11 梳狀換能器的聲場指向性試驗結(jié)果

4 結(jié) 論

本文將7075鋁合金材料作為待測對象,使用梳狀換能器進行0.7 MHz時A0模式導(dǎo)波信號的選擇性激勵。首先,基于輸出矢量和方法理論分析了梳狀電極中指間間距與導(dǎo)波波長之間的關(guān)系,進而探討了梳狀換能器進行目標模式導(dǎo)波信號激勵的條件。構(gòu)建指間間距-導(dǎo)波波長-頻散曲線之間的關(guān)系,用于目標模式導(dǎo)波信號的選擇。其次,分別使用有限元仿真和試驗測量方法驗證了PVDF梳狀換能器具有良好的模式選擇能力。最后,分別設(shè)計制作四分之一全向和全向梳狀換能器,使其進行目標模式導(dǎo)波信號激勵的同時實現(xiàn)傳播方向的調(diào)控。上述研究結(jié)果充分表明了梳狀換能器在目標模式導(dǎo)波信號激勵方面的優(yōu)勢,結(jié)合其自身的輕量化、柔性等特點,有望長期粘貼于構(gòu)件表面進行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。