埋入混凝土中壓電陶瓷換能器聲輻射特性研究.pdf

1、隨著社會(huì)的發(fā)展，大型化、復(fù)雜化的土木工程結(jié)構(gòu)特別是混凝土結(jié)構(gòu)越來越多，人們也越來越關(guān)注這些結(jié)構(gòu)在服役期間的健康狀態(tài)，逐漸將新材料技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)等高新技術(shù)應(yīng)用到結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)中，以保證生命財(cái)產(chǎn)安全。傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)檢測(cè)方法往往只是對(duì)在服役期間的混凝土結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行定時(shí)和關(guān)鍵部位的抽查。智能材料結(jié)構(gòu)在混凝土結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)中的應(yīng)用為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)開辟了一個(gè)廣闊的空間，它兼具傳統(tǒng)復(fù)合材料和功能材料的雙重特性，可實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)時(shí)在線

2、檢測(cè)。
　　在課題前期提出了一種基于壓電埋入式混凝土敏感模塊的超聲檢測(cè)方法，在該方法中超聲波信號(hào)作為混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部信息的載體，需要有良好的特性，因此本文開展了埋入混凝土中壓電陶瓷換能器聲輻射特性研究。
　　(1)討論了聲波在介質(zhì)中聲場(chǎng)指向性形成原理；將壓電陶瓷換能器聲輻射面等效成具有相同振幅的單一點(diǎn)聲源的疊加，對(duì)其進(jìn)行了聲場(chǎng)指向性理論推導(dǎo)，得到了隨著對(duì)壓電陶瓷換能器激勵(lì)頻率的增加，其輻射超聲波聲場(chǎng)指向性越集中的結(jié)論；分析了超

3、聲檢測(cè)中影響超聲波聲能的原因。
　　(2)推導(dǎo)了埋入混凝土中壓電陶瓷換能器機(jī)械振動(dòng)數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)等效原理，得到了其機(jī)械振動(dòng)等效電路圖，等效模型直接反應(yīng)了壓電陶瓷換能器在振動(dòng)過程中電能-機(jī)械能間相互轉(zhuǎn)換的動(dòng)態(tài)過程；分析了埋入狀態(tài)下混凝土夾持力對(duì)壓電陶瓷換能器聲輻射的影響。
　　(3)通過Ansys有限元模態(tài)分析，得到了埋入混凝土中壓電陶瓷換能器一階到四階振動(dòng)模態(tài)及其固有頻率；并進(jìn)行了在預(yù)應(yīng)力下壓電陶瓷換能器Ansys模態(tài)分析

4、，分析表明可將埋入混凝土中壓電陶瓷換能器振動(dòng)模態(tài)看成是在自由狀態(tài)下的振動(dòng)模態(tài)；進(jìn)行了基于壓電埋入式混凝土敏感模塊的聲場(chǎng)指向性和聲能實(shí)驗(yàn)，結(jié)合Ansys仿真和實(shí)驗(yàn)，分析得到了如下結(jié)論：在聲場(chǎng)指向性理論推導(dǎo)中，忽略不同頻率下埋入混凝土中壓電陶瓷換能器聲輻射面振動(dòng)模態(tài)不同，會(huì)使得壓電陶瓷換能器輻射超聲波聲場(chǎng)指向性隨頻率變化規(guī)律偏離實(shí)際較大，而在相同頻率下聲場(chǎng)指向性理論結(jié)果比實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)散；在各階固有頻率下，壓電陶瓷換能器的聲場(chǎng)指向性集中，但在一

5、階固有頻率下聲能最高，因此更適用于超聲檢測(cè)。
　　(4)系統(tǒng)總結(jié)了傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)超聲檢測(cè)中利用接收波信號(hào)時(shí)域和頻域特性進(jìn)行超聲檢測(cè)的手段和原理，為基于壓電埋入式混凝土敏感模塊的超聲檢測(cè)提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。
　　(5)進(jìn)行了埋入混凝土中壓電陶瓷換能器輻射超聲波在通過混凝土不同測(cè)試距離下接收波信號(hào)分析實(shí)驗(yàn)，將獲取到的接收波信號(hào)從時(shí)域(聲速、波幅、首波相位、波形和包絡(luò)線)和頻域(幅度譜、功率譜)兩方面分析了測(cè)試距離對(duì)其信號(hào)