姜　敏，陳　雨，鄧洪敏，趙愛(ài)榮，李　鵬

（四川大學(xué)電子信息學(xué)院，成都610064）

基于路徑映射的埋入式壓電陶瓷輻射聲能特性研究*

姜敏，陳雨*，鄧洪敏，趙愛(ài)榮，李鵬

（四川大學(xué)電子信息學(xué)院，成都610064）

將壓電陶瓷埋入混凝土構(gòu)成壓電埋入式機(jī)敏模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)在線健康監(jiān)測(cè)。為了提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性，本文基于路徑映射技術(shù)對(duì)壓電陶瓷輻射超聲波在混凝土中傳輸時(shí)的聲能特性進(jìn)行研究。研究表明:隨著激勵(lì)頻率增大，壓電陶瓷輻射聲波能量衰減速度減慢，且當(dāng)激勵(lì)頻率為79 kHz時(shí)，更為適合進(jìn)行壓電埋入式超聲無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。隨著超聲波傳播距離增大，擴(kuò)散范圍越廣，聲壓下降速度和聲能衰減速率呈非線性變化。在同一激勵(lì)頻率下，不同路徑上的最大聲壓值和最小聲壓值分別對(duì)應(yīng)不同的位置:當(dāng)映射路徑的半徑小于0.08 m時(shí)，最大聲壓值在厚度方向，最小聲壓值對(duì)應(yīng)的角度在54到58.5之間；當(dāng)路徑的半徑大于0.08 m時(shí)，最大聲壓值對(duì)應(yīng)的角度由于厚度方向與徑向方向波的部分重疊而偏離軸向處，而最小聲壓值對(duì)應(yīng)的角度在45°到61°之間。

壓電陶瓷；聲能特性；路徑映射；激勵(lì)頻率；超聲波；混凝土

EEACC:2860；7810Cdoi:10.3969/j.issn.1004-1699.2016.04.024

混凝土是現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)不可或缺的建筑材料，其不僅用于建筑樓房，還廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代高速公路、大體積水壩、橋梁等方面。由于混凝土廣泛應(yīng)用于大型建筑結(jié)構(gòu)，因而這些大型混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力、耐久能力、受災(zāi)防腐程度已經(jīng)成為當(dāng)今工程建設(shè)關(guān)注的焦點(diǎn)。近年來(lái)，由于環(huán)境惡化，自然災(zāi)害頻發(fā)以及在澆筑和使用過(guò)程中人為處理不當(dāng)，使得混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生缺陷，給工程建設(shè)的安全帶來(lái)重大危害［1］。因此，采用有效的手段對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的健康狀況進(jìn)行檢測(cè)是非常有必要的［2］。對(duì)于現(xiàn)代混凝土結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)主要是利用超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，而傳統(tǒng)的超聲無(wú)損檢測(cè)無(wú)法對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及診斷［3］，為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)超聲檢測(cè)的不足，文玉梅［4］等提出將壓電陶瓷埋入混凝土中組成壓電埋入式機(jī)敏模塊在線檢測(cè)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的健康狀況，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的健康評(píng)估。

文獻(xiàn)［5］對(duì)埋入混凝土結(jié)構(gòu)中壓電陶瓷進(jìn)行了聲場(chǎng)ANSYS仿真，初步論證了基于壓電埋入式混凝土模塊超聲檢測(cè)的可行性。為了對(duì)壓電埋入式超聲無(wú)損檢測(cè)方法提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐，文獻(xiàn)［6］對(duì)埋入混凝土中壓電陶瓷進(jìn)行等效振動(dòng)模型分析，研究壓電陶瓷輻射超聲波聲場(chǎng)指向性和聲能與激勵(lì)頻率和振動(dòng)模態(tài)的關(guān)系。由于壓電陶瓷輻射的超聲波在傳輸過(guò)程中將產(chǎn)生能量衰減，文獻(xiàn)［7］通過(guò)對(duì)埋入混凝土中壓電陶瓷進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，研究不同諧振頻率下的應(yīng)變規(guī)律，并結(jié)合可視化的聲場(chǎng)云圖得到系統(tǒng)的最佳諧振頻率，提高了混凝土結(jié)構(gòu)健康無(wú)損監(jiān)測(cè)的有效性的。文獻(xiàn)［8］研究背襯結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷聲能特性提高接收端超聲波的利用率。然而研究忽略了壓電陶瓷的內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)對(duì)壓電陶瓷電-聲特性的影響，文獻(xiàn)［9］通過(guò)改變壓電陶瓷自身的尺寸，研究不同尺寸的壓電陶瓷對(duì)其電-聲特性的影響。但是，以上主要是研究壓電陶瓷振動(dòng)輻射超聲波的過(guò)程及其影響因素，而忽略了超聲波在混凝土中傳播時(shí)聲波散射、能量衰減的過(guò)程。

本文通過(guò)ANSYS對(duì)埋入混凝土中壓電陶瓷輻射超聲波傳輸過(guò)程進(jìn)行仿真分析，研究超聲波在混凝土中傳輸時(shí)的擴(kuò)散過(guò)程以及聲能的變化規(guī)律。利用路徑映射技術(shù)將壓電陶瓷輻射的超聲波在任一路徑上的能量分布映射到相對(duì)應(yīng)的路徑上，最終對(duì)提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到不同的激勵(lì)頻率路徑上的能量分布以及分析同一激勵(lì)頻率下不同路徑上的聲能衰減過(guò)程。

1　壓電埋入式機(jī)敏模塊以及聲場(chǎng)理論

埋入式壓電陶瓷機(jī)敏模塊是將壓電陶瓷埋入待澆筑的混凝土中，如圖1（a）所示，并用一定頻率的脈沖波激勵(lì)壓電陶瓷，使其發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生形變輻射超聲波；由于超聲波在傳播過(guò)程中會(huì)攜帶路徑上混凝土的內(nèi)部信息，混凝土的一端用接受換能器連接，接受此超聲波信號(hào)并做分析，從而實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)超聲無(wú)損檢測(cè)［10］。

由于混凝土早期澆筑過(guò)程的凝固和干縮而引起非均勻體積變化，從而對(duì)檢測(cè)效果造成影響，且壓電陶瓷又是脆性材料所制作的，因此可在其表面包一層硅橡膠，實(shí)物如圖1（b）所示。硅橡膠具有良好的絕緣、防腐性，不僅能防止在檢測(cè)過(guò)程中壓電陶瓷產(chǎn)生短路現(xiàn)象，還可以增加壓電陶瓷的聲阻抗匹配。

圖1　壓電埋入式機(jī)敏模塊

在超聲無(wú)損檢測(cè)中，壓電陶瓷受到電信號(hào)激勵(lì)產(chǎn)生超聲波，超聲波在混凝土中傳播過(guò)程中將建立聲場(chǎng)［11］，因此研究聲場(chǎng)的相關(guān)特性有助于分析超聲波在混凝土傳輸以及能量衰減的過(guò)程。如圖2所示，為壓電陶瓷輻射超聲波示意圖。處于軸心位置的錐形區(qū)域?yàn)橹髀暿?，其聲壓最大，聲能最為集中。主聲束的邊界與聲軸的夾角稱(chēng)為半擴(kuò)散角，由于輻射波在聲場(chǎng)中是關(guān)于聲軸對(duì)稱(chēng)的，可以使用半擴(kuò)散角表征聲場(chǎng)主聲束的覆蓋區(qū)域。聲壓值隨著半擴(kuò)散角有著起伏變化:半擴(kuò)散角越小，聲場(chǎng)能量越集中，檢測(cè)的分辨力和靈敏度就越高。錐形區(qū)域的兩邊是副瓣聲束，其個(gè)數(shù)較多，聲能分布也比較分散，且連續(xù)性也不好。相比較而言，主聲束的聲能遠(yuǎn)大于副瓣聲束的聲能，所以在壓電埋入式超聲無(wú)損檢測(cè)中，接受換能器盡量布置在主聲束覆蓋的區(qū)域，提高檢測(cè)精度。

圖2　壓電陶瓷輻射超聲波示意圖

研究聲能的特性主要研究聲場(chǎng)中的不同點(diǎn)聲壓變化。由于壓電陶瓷振動(dòng)輻射的聲場(chǎng)所包含的空間中任意一點(diǎn)的聲壓是所有點(diǎn)聲源在該點(diǎn)的疊加，因此在聲場(chǎng)區(qū)域中其聲壓的分布狀況不同。引用單位為帕斯卡（Pa）的聲壓函數(shù):

式中，聲壓P則是關(guān)于r、θ、t和波數(shù)k的函數(shù)，θ為方位角，ω為聲波圓頻率（與激勵(lì)頻率相關(guān)），J1（x）為一階貝塞爾函數(shù)，k=ω/c為波數(shù)，c為超聲波在介質(zhì)中傳播的速度，R為壓電陶瓷的半徑，在距離聲源r處的面內(nèi)，聲壓P是方位角θ和k的函數(shù)，即聲壓在不同位置具有不同的值。

2　壓電埋入式輻射聲場(chǎng)聲能研究

2.1聲場(chǎng)仿真

利用ANSYS仿真軟件對(duì)埋入式壓電陶瓷在相應(yīng)激勵(lì)頻率下振動(dòng)輻射超聲波在混凝土中傳輸時(shí)所形成的聲場(chǎng)進(jìn)行分析，研究埋入混凝土中壓電陶瓷輻射超聲波的擴(kuò)散分布以及能量變化規(guī)律。

首先模擬半徑為50 mm的混凝土環(huán)境包裹的壓電陶瓷［12］，聲場(chǎng)研究時(shí)涉及的參數(shù)有壓電陶瓷的柔順常數(shù)、阻尼系數(shù)、壓電系數(shù)、混凝土的密度以及混凝土中超聲波的聲速［13-14］。在不同的環(huán)境下，壓電陶瓷輻射超聲波能力大小不同，將壓電陶瓷分別放在混凝土和空氣環(huán)境中，對(duì)其輻射超聲波的分布進(jìn)行比較，如圖3所示。通過(guò)仿真，得到壓電陶瓷的聲壓云圖，也叫波束圖，不同的顏色代表不同的聲壓值，單位為帕斯卡（Pa），中心紫色的部分為壓電陶瓷，半徑為12 mm，厚為2 mm。

壓電陶瓷處于空氣環(huán)境中輻射的超聲波分布如圖3（a）所示，此時(shí)超聲波最大聲壓約為5.54 Pa；壓電陶瓷埋入混凝土中則如圖3（b）所示，最大聲壓值達(dá)到12 569.3 Pa。由于受到了混凝土的密度以及超聲波在混凝土中傳播的速度的影響，兩者的聲壓值存在很大的差異。前者的超聲波覆蓋區(qū)域面積大于后者，并且超聲波隨著區(qū)域的擴(kuò)大，縱向振動(dòng)和徑向振動(dòng)輻射的超聲波區(qū)分邊界逐漸模糊，增加了聲能特性研究的難度。而在混凝土中輻射的超聲波分布比較清晰，聲信號(hào)能量較大，有利于提高超聲無(wú)損檢測(cè)利用率。因此，本文主要是對(duì)混凝土環(huán)境中壓電陶瓷輻射聲超波聲能特性進(jìn)行研究。

圖3　壓電陶瓷輻射聲波分布

雖然可以從圖3的聲壓云圖比較直觀的顯示壓電陶瓷輻射聲場(chǎng)的分布情況，但并不能定量的從圖中讀出相對(duì)于聲場(chǎng)中心聲壓的精確值。為了研究圓弧路徑上聲壓的準(zhǔn)確值，本文利用POST1通用后處理的路徑映射對(duì)壓電陶瓷輻射聲場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，并得到結(jié)果進(jìn)行分析。

路徑映射（Mapping Results onto a Path）是ANSYS中基于插值運(yùn)算的一種后處理技術(shù)，它能夠虛擬映射任何結(jié)果數(shù)據(jù)到模型的任何路徑上［15］。對(duì)聲場(chǎng)仿真模型設(shè)定一條路徑，為距離聲場(chǎng)中心0.025 m的360°圓弧，定義操作如圖4所示。由于輻射超聲波是關(guān)于聲軸對(duì)稱(chēng)的，所以可以分析一半的聲場(chǎng)分布，且路徑定義180°的圓弧，再對(duì)結(jié)果提取進(jìn)行分析。

圖4　聲場(chǎng)仿真模型中的路徑操作

2.2不同激勵(lì)頻率下主聲軸上聲能的變化規(guī)律

文獻(xiàn)［8］對(duì)埋入混凝土中壓電陶瓷諧振頻率分析，驗(yàn)證了當(dāng)激勵(lì)頻率選擇79 kHz時(shí)，聲壓值最大，接收效果較好。聲壓云圖能比較直觀的觀察到不同頻率激勵(lì)下壓電陶瓷振動(dòng)輻射聲場(chǎng)的分布情況，但并不能精確的得到某一點(diǎn)的聲壓值，為了研究聲場(chǎng)能量的分布規(guī)律，需要對(duì)輻射聲場(chǎng)中的任意一點(diǎn)聲壓進(jìn)行分析。

由圖3觀測(cè)到壓電陶瓷不僅有縱向振動(dòng)方式還有徑向振動(dòng)方式，但是縱向振動(dòng)比徑向更為強(qiáng)烈，且輻射聲波能量更強(qiáng)，因此主要研究不同頻率激勵(lì)下主聲軸上任一點(diǎn)的聲壓隨該點(diǎn)到聲源距離的變化規(guī)律。在聲場(chǎng)仿真模型中定義多條路徑（半徑不同的180°圓?。?，并用曲線和圖表顯示其不同位置的聲壓值。為了研究激勵(lì)頻率對(duì)聲能特性的影響，對(duì)不同頻率激勵(lì)下單一路徑聲壓的變化情況進(jìn)行分析，如表1所示，是在聲源半徑為2mm，聲激勵(lì)頻率不同的情況下，不同路徑上對(duì)應(yīng)的聲壓值。

表1　不同的激勵(lì)頻率對(duì)應(yīng)不同路徑的聲壓值

從表1中看出，在同一激勵(lì)頻率下，主聲軸上距離壓電陶瓷的位置不同，對(duì)應(yīng)的聲壓值也不同。當(dāng)激勵(lì)頻率分別為20 kHz、79 kHz、200 kHz、400 kHz和600 kHz時(shí)，距離聲源0.05 m的點(diǎn)的聲壓值相對(duì)于距離聲源0.015 m的點(diǎn)的聲壓值分別下降了87.6%、71.9%、66.8%、39.8%和14.3%。說(shuō)明隨著激勵(lì)頻率的增加，壓電陶瓷輻射聲場(chǎng)的聲壓值隨著超聲波傳播距離的增大而逐漸下降，能量衰減速度也逐漸減小聲場(chǎng)分布更加集中。在不同激勵(lì)頻率下，距離聲源相同時(shí)，頻率越大，對(duì)應(yīng)的聲壓值有跌宕起伏的變化。

為了更客觀地研究壓電陶瓷在不同激勵(lì)頻率下壓電陶瓷振動(dòng)輻射聲波的聲壓變化，將表1中的數(shù)據(jù)用MATLAB繪畫(huà)成曲線，如圖5（a）～5（f）所示。

圖5　不同激勵(lì)頻率下聲源軸線上的聲壓分布

當(dāng)激勵(lì)頻率在100 kHz以下時(shí)，聲源軸線上的聲壓隨著距離的增大而逐漸降低，聲能也緩慢減小。相比20 kHz、100 kHz和200 kHz，激勵(lì)頻率為79 kHz時(shí)，聲壓值較大；當(dāng)激勵(lì)頻率為200 kHz時(shí)，在距離聲源為0.02 m處，聲壓曲線開(kāi)始出現(xiàn)了極值點(diǎn)；當(dāng)激勵(lì)頻率為600 kHz時(shí)，相對(duì)于較低頻率對(duì)應(yīng)的聲壓值最大，聲能量較強(qiáng)，但是產(chǎn)生多個(gè)極值點(diǎn)波動(dòng)性較大，對(duì)距離的變化較為敏感。因此隨著激勵(lì)頻率的增大，聲源軸線上的聲壓值并不穩(wěn)定，并且激烈波動(dòng)，容易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差，不利于超聲無(wú)損檢測(cè)。相比之下，當(dāng)激勵(lì)頻率在79 kHz附近時(shí)，為較優(yōu)的壓電陶瓷式無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)條件［16］。

2.3角度對(duì)聲信號(hào)能量衰減的影響

為了進(jìn)一步研究壓電陶瓷輻射聲場(chǎng)能量的衰減變化規(guī)律，本節(jié)主要從擴(kuò)散角的角度進(jìn)行分析。由圖2可知，主聲束的邊界與聲軸的夾角為半擴(kuò)散角，因?yàn)閴弘娞沾奢椛渎暡ㄊ顷P(guān)于聲軸對(duì)稱(chēng)的，所以只研究隨半擴(kuò)散角變化的聲場(chǎng)能量的變化規(guī)律。

由于激勵(lì)頻率為79 kHz附近時(shí)，超聲無(wú)損檢測(cè)接收到的信號(hào)最佳，因此采用此頻率為激勵(lì)頻率，在壓電陶瓷聲壓云圖中進(jìn)行路徑操作。壓電陶瓷上表面與下表面的振動(dòng)輻射超聲波是一致的，路徑映射之后，由于對(duì)稱(chēng)性0°～90°和90°～180°是一樣的效果，因此提取同一路徑上0°，30°，45°，60°，90°所對(duì)應(yīng)的聲壓值，將數(shù)據(jù)用插值法繪成曲線，如圖6所示。

圖6　聲壓隨距離以及半擴(kuò)散角的變化規(guī)律

圖6中，曲線分別表示半擴(kuò)散角為0°、30°、45°、60°、90°時(shí)，聲壓隨著距離的增大而變化的規(guī)律。從線的趨勢(shì)上看，0°和30°時(shí)，聲壓值減小的幅度很接近，能量衰減速度逐漸減慢；45°時(shí)，聲壓值開(kāi)始減小的幅度相對(duì)較大，能量衰減速度也比較快；60°時(shí)，聲壓值曲線變化最小，能量衰減最慢；90°時(shí)，聲壓值起初急劇下降，聲信號(hào)能量衰減速度相對(duì)最快。當(dāng)離聲源為0.015 m的圓弧上，角度為90°時(shí)，聲壓值最大，其次是0°、30°、45°、60°時(shí)對(duì)應(yīng)的聲壓值最小。主要原因是實(shí)驗(yàn)用到的壓電陶瓷厚度是0.002 m，半徑是0.012 m，在半徑為0.015 m的圓弧上，0°時(shí)距離振動(dòng)聲源較遠(yuǎn)，而90°時(shí)離聲源振動(dòng)的邊緣區(qū)域較近。由于90°時(shí)能量衰減的速度比0°時(shí)快，所以隨著傳播的距離的增大，90°方向上的聲壓值逐漸比0°方向的小，當(dāng)路徑半徑大于0.02 m時(shí)，90°方向的聲壓值小于30°方向的聲壓值。因此，隨著壓電陶瓷輻射聲場(chǎng)中擴(kuò)散角逐漸增加，散射區(qū)域增大，聲能的衰減速度先增大，然后逐漸減小，最后又逐漸增加；其次，在不同路徑下，0°時(shí)（厚度振動(dòng)方向）總體所接收到的聲波能量相對(duì)來(lái)說(shuō)要比90°（徑向振動(dòng)方向）要高。在進(jìn)行超聲無(wú)損檢測(cè)時(shí)，接收換能器盡量放在厚度振動(dòng)方向上，且距離聲源較近的位置較為合適檢測(cè)。

2.4同一頻率下不同路徑上聲能的變化

對(duì)壓電埋入式機(jī)敏模塊進(jìn)行建模，模擬埋入式壓電陶瓷在振動(dòng)時(shí)輻射超聲波的環(huán)境，利用路徑映射將聲場(chǎng)任一點(diǎn)聲壓映射到一條路徑上，并以曲線的方式顯示出聲壓的分布情況，從而研究不同路徑上超聲波能量變化規(guī)律。

采用79 kHz頻率激勵(lì)壓電陶瓷，在壓電陶瓷聲壓云圖中分別定義了不同的路徑（180°圓?。M(jìn)行路徑操作后，得到壓電陶瓷輻射聲波的聲壓分布曲線，如圖7所示。

在曲線圖中，聲壓分布曲線最左端的聲壓值對(duì)應(yīng)壓電陶瓷中心上方位置的值，而最右端的聲壓值對(duì)應(yīng)壓電陶瓷中心正下方的位置的值，中間的聲壓值對(duì)應(yīng)壓電陶瓷的徑向位置的值，橫坐標(biāo)表示的是距起始節(jié)點(diǎn)的路徑的長(zhǎng)度（圓弧的弧長(zhǎng)，弧長(zhǎng)=半徑×弧度），整個(gè)曲線表征了沿壓電陶瓷中心等徑的180度圓弧的聲壓分布，。從圖7可以看出，0度到90度的聲壓分布情況與90°到180°相同，當(dāng)路徑對(duì)應(yīng)的半徑分別為0.02 m、0.04 m、0.08 m時(shí)，最大聲壓值出現(xiàn)在壓電陶瓷厚度方向的正方向位置，而對(duì)應(yīng)的半徑分別為0.16 m、0.32 m、0.64 m時(shí)，最大聲壓值不在0°位置。說(shuō)明隨著路徑的長(zhǎng)度增大，壓電陶瓷輻射超聲波擴(kuò)散的范圍越廣，并且增到一定的程度時(shí)，由于縱向輻射聲波會(huì)與徑向方向的輻射聲波的疊加，導(dǎo)致了最大聲壓值所對(duì)應(yīng)的角度發(fā)生了偏移；在各條路徑對(duì)應(yīng)的聲壓分布曲線中，最小聲壓值所對(duì)應(yīng)的角度并不相同。為了更能清楚的看到所對(duì)應(yīng)的角度與不同路徑的關(guān)系，分別定義半徑為0.015 m、0.02 m、0.025 m、0.03 m、0.035 m、0.04m、0.045 m、0.05 m、0.08 m、0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m、0.7 m的路徑，提取最小聲壓值所對(duì)應(yīng)的角度（這里只取了0°到90°之間），用曲線來(lái)表示，如圖8所示。

圖7　不同路徑上的聲壓分布

圖8　不同路徑最小聲壓值所對(duì)應(yīng)的角度

從圖8看出，隨著路徑的增大，最小聲壓值對(duì)應(yīng)的角度也在發(fā)生變化，并且出現(xiàn)了多個(gè)極值點(diǎn)，當(dāng)路徑對(duì)應(yīng)的半徑小于0.08 m時(shí)，對(duì)應(yīng)角度變化的幅度較小，且超過(guò)0.08 m時(shí)角度變化幅度波動(dòng)較大。因此，隨著壓電陶瓷輻射超聲波的距離增大，最小聲壓值對(duì)應(yīng)的位置是不同的，而是在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。

3　壓電陶瓷輻射聲能特性實(shí)驗(yàn)及分析

實(shí)驗(yàn)中制作了三組相同的壓電陶瓷混凝土模塊。超聲波通過(guò)混凝土不同測(cè)試距離下其測(cè)試系統(tǒng)如圖9所示。信號(hào)發(fā)生器發(fā)出一定頻率的脈沖波，然后被分成兩路:一路作為觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)示波器采集數(shù)據(jù)；一路激勵(lì)埋入混凝土中壓電陶瓷，使其振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，超聲波經(jīng)過(guò)混凝土后被接收換能器接收，并經(jīng)過(guò)濾波、去平均值后在示波器上顯示。

圖9　不同測(cè)試距離下超聲波測(cè)試系統(tǒng)

在實(shí)驗(yàn)中，在離壓電陶瓷5 cm處端面內(nèi)布置了7個(gè)測(cè)點(diǎn)（A、B1、B2、B3、C1、C2、C3），測(cè)點(diǎn)分布如圖10所示。利用接收型壓電超聲換能器測(cè)量了分別在20 kHz、79 kHz、100 kHz、200 kHz頻率下各測(cè)點(diǎn)的電壓值，并在每個(gè)頻率下取三組模塊上相同位置測(cè)點(diǎn)測(cè)得三個(gè)數(shù)據(jù)的平均值，如表2所示。

圖10　測(cè)點(diǎn)分布示意圖

表2　各個(gè)頻率下不同測(cè)試點(diǎn)的電壓幅值

由于某測(cè)點(diǎn)的電壓值與聲壓值呈線性關(guān)系［17］，所以電壓值的變化能反映聲壓值的變化，根據(jù)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)繪制曲線圖，如圖11所示。其中圖中角度0°、45°、90°分別表示A→C1、A→C2、A→C3方向。

圖11　不同頻率下各個(gè)測(cè)點(diǎn)電壓幅值

圖11（a）～11（d）分別表示在20 kHz、79 kHz、100 kHz、200 kHz頻率下電壓幅值隨著測(cè)試點(diǎn)距離增大的變化情況。隨著激勵(lì)頻率的增大，電壓幅值也在增加，并且在頻率為79 kHz時(shí)，電壓幅值最大，但其減小速度相對(duì)較快與理論分析相比出現(xiàn)偏差；當(dāng)激勵(lì)頻率為100 kHz時(shí)，發(fā)生了變化，電壓幅值減??；激勵(lì)頻率為200 kHz時(shí)，電壓幅值出現(xiàn)增大的情況。因此隨著激勵(lì)頻率的增大，測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓值并不是越大，而是有跌宕起伏的變化，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定程度時(shí)，電壓值出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況，容易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差，不利于超聲無(wú)損檢測(cè)。由于理論中將聲源振動(dòng)面等效為振幅相等單一點(diǎn)聲源的疊加所得隨著頻率的增加，因此文中3.2節(jié)激勵(lì)頻率對(duì)聲能特性的影響的結(jié)論與實(shí)際有些偏差，需要考慮振動(dòng)模態(tài)［18］對(duì)聲能特性的影響。

圖中的三條曲線分別表示角度為0°、45°、90°時(shí)，電壓幅值隨著測(cè)試點(diǎn)位置不同的變化規(guī)律。在各個(gè)頻率下，主聲束軸心位置（A測(cè)點(diǎn)）電壓值最大，即該點(diǎn)的聲能最大，可以觀測(cè)到曲線總體都是下滑趨勢(shì)，說(shuō)明隨著測(cè)點(diǎn)距離的增大電壓幅值是逐漸減小的，聲壓也逐漸下降；0°時(shí)電壓幅值減小的比較慢，其次是45°，90°時(shí)電壓幅值減小的速度相對(duì)較快，說(shuō)明隨著超聲波擴(kuò)散角度的增大，聲壓值下降和能量衰減的速度逐漸變快；另外，0°（A→C1方向）的電壓幅值總是最大的。因此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與上文中仿真數(shù)據(jù)對(duì)比，雖然有一些偏差，但是隨著擴(kuò)散角以及距離的變化能量衰減的規(guī)律基本上是一致的。

4　總結(jié)

本文通過(guò)路徑映射技術(shù)對(duì)壓電陶瓷輻射聲能特性進(jìn)行分析以及對(duì)壓電埋入式機(jī)敏模塊實(shí)驗(yàn)結(jié)果研究，得到以下結(jié)論:

（1）在不同的激勵(lì)頻率下，隨著壓電陶瓷輻射聲波傳播的距離增大，聲壓值下降及能量衰減呈非線性變化；當(dāng)頻率達(dá)到一定程度時(shí)，隨著路徑的增加聲壓值變化趨勢(shì)出現(xiàn)了極值點(diǎn)，并得到激勵(lì)頻率為79 kHz附近時(shí)，為較優(yōu)的無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)條件。

（2）在同一頻率下，壓電陶瓷輻射超聲波隨著路徑的增大，擴(kuò)散角越大，超聲波覆蓋范圍擴(kuò)大，能量衰減的速度呈非線性變化，厚度方向總體的聲壓值最大。

（3）在不同路徑下進(jìn)行仿真分析時(shí)，隨著壓電陶瓷輻射聲波傳播的距離增大，當(dāng)路徑對(duì)應(yīng)半徑達(dá)到一定程度時(shí)，最大聲壓值對(duì)應(yīng)的位置不是厚度方向，而是由于波的重疊而偏離了主聲軸，最小聲壓值所對(duì)應(yīng)的位置在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。

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姜敏（1989-），女，河南光山縣人，四川大學(xué)碩士研究生。主要研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)；

陳雨（1976-），男，1999年獲重慶大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院電廠專(zhuān)業(yè)學(xué)士學(xué)位，2002年獲重慶大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院動(dòng)力機(jī)械及系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)碩士學(xué)位，2006年獲重慶大學(xué)光電工程學(xué)院儀器科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)博士學(xué)位，2006-2009年在重慶大學(xué)任教，2009年至今工作于四川大學(xué)電子信息學(xué)院，副教授職稱(chēng)。主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、混凝土壓電機(jī)敏結(jié)構(gòu)、壓電傳感器，ychen@scu.edu.cn。

Research on Radiated Sound Energy Characteristics of Piezoelectric CeramicsEmbedded in Concrete Based on Mapping Results onto a Path*

JIANG Min，CHEN Yu*，DENG Hongmin，ZHAO Airong，LI Peng
（School of Electronics and Information Engineering，Sichuan University，Chengdu 610064，China）

Embedding the piezoelectric ceramic into concrete can form piezoelectric embedded typed alert module，which can implement on-line health monitoring of the concrete structure.To improve the accuracy of the monitoring，this thesis has down research on the characteristics of acoustic energy when piezoelectric ceramic radiant ultrasonic is transmitting in concrete based on Mapping Results onto a path technology.Experiments showed that with the increasing of excitation frequency，the energy attenuation speed of piezoelectric ceramic radiant acoustic wave will slow down.What's more，the situation that excitation frequency equals to 79 kHz is the more suitable to do the piezoelectric embedded typed ultrasonic nondestructive testing experiment.With the increasing of propagation distance and diffusion range of ultrasonic，descent speed of sound pressure and decay rate of sound energy will be varying non-linear.Under the same excitation frequency，the maximum and the minimum sound pressure value in different path will respectively correspond to different positions.When the radius of mapping path is less than 0.08 meters，the maximum sound pressure value is in the direction of thickness，and angles that the minimum sound pressure value corresponding to is between 54 and 58.5.On the other side，when the radius of mapping path is greater than 0.08 meters，the angle that the maximum sound pressure value corresponding to deviates，the axial direction caused by the overlapping of the thickness direction and radial direction.And the angles that the minimum sound pressure value corresponding to is between 45 and 61.

piezoelectric ceramic；characteristics of acoustic energy；Mapping Results onto a path；excitation frequency；ultrasonic；concrete

O482.41

A

1004-1699（2016）04-0614-08

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目（50808186）；重慶市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（CSTC，2008BB0155）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61174025）

2015-10-16修改日期:2015-12-29