聚偏氟乙烯叉指的多波段瑞利波水下传播特性

丁忠军, 冯志亮, 孟德健, 李洪宇, 张奕, 李德威

(1.山东科技大学 海洋科学与工程学院, 山东 青岛 266590; 2.国家深海基地管理中心, 山东 青岛 266237; 3.哈尔滨工程大学 船舶工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150006)

近年来,随着我国海洋强国战略的实施对海洋装备需求日益增长,深海装备更是占据了重要位置,但复杂多变的海洋环境尤其在是低温高压的深海环境下,海洋装备结构的安全问题不容小觑。在这种环境下,海洋装备一旦出现细微的缺陷,就可能导致结构失效甚至断裂。从而出现不可挽回的财产损伤甚至是人员伤亡的事故。因此对海洋装备进行在线的无损检测是一项具有非常重要且具有实际工程意义的工作[1]。

目前,健康监测技术已经应用于多个领域。但对于深海装备的研究案例较少,国内的杨华伟等[2]为监测深潜器耐压结构的应力应变开发了以应变片作为传感器的结构健康监测系统。而船舶及海洋平台的健康监测技术应用的相对较多,Hjelme团队[3]于 20世纪 90年代中期首次在船模上使用具有现代科技的光纤光栅传感器[4-5]监测部分船体结构。白石等[6]采用PVDF薄膜作为传感器检测海洋平台动态的应力应变。上述学者采用的传感器均能达到理性效果,但存在着一些不足,如传感器太复杂或对海洋装备结构损伤不敏感。

针对上述问题,瑞利波技术无疑是解决海洋装备结构损伤不敏感问题强有力的手段。深潜器、潜艇等深海设备的作业环境特殊,极端的深海作业条件要求设备内部结构复杂,对传感器的体积及系统的要求苛刻。相比于其他表面波生成方法不同,IDT 的最大优势在于其微型物理尺寸和将电信号转换为机械振动的高效率[7],且IDT对裂纹和焊缝的检测已有报道[8]。IDT的基底材料一般为压电陶瓷(PZT)和PVDF压电薄膜,压电陶瓷的激励强度和接收的灵敏度高于PVDF薄膜,但PVDF薄膜的质地柔软可以长久粘接在曲面结构[9],由此本文开展了对PVDF叉指激励不同波长的瑞利波水下传播特性的研究。

1 IDT结构设计与制作

1.1 IDT结构

IDT可以设计为激发特定波长,通过调整叉指电极相邻两指之间的距离以匹配特定波长,传感器成为模式选择滤波器。

DT的典型结构(图1)由3层组成,顶部和底部电极层由压电层隔开,根据电极图案可以区分2种主要类型的 IDT 换能器:传统的单面和双面。

单面IDT的结构如图1所示。它仅在压电层的一侧具有叉指电极,而另一侧被接地板电极覆盖。在这种情况下,需要3根电线将电信号连接到电极(2个相反的相位和接地)。与双面 IDT 中的单面 IDT 不同,如图2所示,压电基板的两面都被叉指电极覆盖。这种设计简化了电源(不需要反对称信号源)并增加了生成波的幅度[10]。

图2 双面叉指换能器的结构

1.2 IDT传感器的设计

本文从3个方面设计IDT:电极图案、防水及压电层厚度。首先是电极图案本文选择传统IDT即电极宽度与电极间距相等。电极宽度和电极间距影响IDT的激励频率,频率太高采集难度过大、频率太低激励的瑞利波波长太大对钛合金板材的厚度要求较高,因此设计了波长为2～5 mm IDT。叉指的长度影响IDT声场的发散角[11]。发散角公式为:

γ=arcsin(λ/L)

式中:γ为发散角;λ为波长;L为叉指的长度。

IDT的制作工艺丝网印刷、电场驱动喷射沉积、激光蚀刻[12]和柔性PCB制作但满足防水要求的只有柔性PCB制作的IDT,图4所示为柔性PCB叉指在结构物上的粘贴模型[13-15],图3所示为IDT电极图案参数。压电层的厚度根据文献[16]的研究选择110 μm厚的PVDF薄膜。

图3 IDT电极图案参数

图4 柔性PCB叉指的粘贴模型

2 瑞利波强度与水下传播仿真

2.1 声波衰减分析

COMSOL软件是目前比较流行的大型有限元分析软件,能够很好地处理物理场之间的耦合。本文通过COMSOL软件分析水下环境的影响,选择COMSOL声固耦合模型中的声与压电相互耦合模块。

液固耦合公式为:

FA=pt·n

式中:utt为结构加速度;ρ为流体密度;n为表面法线方向;pt为总声压;qd为偶极源;FA结构上的载荷。

可知随着流体的密度的增加结构加速度引起的声压级变化越大,因此固-液界面的瑞利波传播不能仅仅考虑发散角,瑞利波声能会扩散到水域加快瑞利波的衰减。

2.2 多波段瑞利波水下传播特性仿真

为了简化计算选择在二维空间模型下对叉指换能器建模,2个叉指换能器以收发分置的方式布置在厚度为10 mm的钛合金板上(如图5(a)),对2～5 mm波长的IDT进行仿真,激励信号为8周期正弦波信号(如图5(b))。

图5 叉指换能器布置模型和八周期正弦波信号

IDT的频率可以通过横波公式计算出横波波速:

式中:vs为横波波速;ρ为钛合金密度;E为弹性模量;u为泊松比,然后由横波波速可以计算出瑞利波波速:

最后通过公式f=v/λ计算出IDT需要激励的频率。2～5 mm的IDT所需要激励的频率如表1所示,钛合金板材的型号为TC4。

表1 叉指换能器参数

图6为不同波长的在水下的衰减,传播距离为58.5 mm。不同的波长衰减的程度不同即波长越大衰减越小,差异很大特别是2 mm和3 mm波长的衰减差异最大。仿真结果表明(如图7所示),IDT在水下激励瑞利波的强度相比于空气中存在很大的衰减。

图6 多波段瑞利波水下衰减

衰减程度通过下列公式表示:

式中:α为瑞利波衰减单位为dB;V1为空气中的信号;V1为水下信号。

2.3 瑞利波强度与激励周期的关系

在进行无损检测时,IDT的激励时间过长、激励和接收IDT之间的距离过近会导致激励信号产生干扰信号,进而影响有效信号的采集。为此本文分析了瑞利波的强度与叉指对数及激励周期的关系,在IDT不受激励信号干扰的前提下增加瑞利波的强度。瑞利波在PVDF薄膜下传播时,其上一个周期激励的瑞利波会被这一个周期的信号加强,加强的次数和叉指的对数有关,因此在经过和叉指对数同等周期数的正弦波信号激励之后,会有一个波长范围的瑞利波强度达到最大,当最大强度的瑞利波信号能够覆盖接收IDT时,接收到最大的瑞利波信号,因此当激励的周期大于等于激励瑞利波的IDT的叉指对数与接收IDT的叉指对数之和时就可以使得接收的信号的峰峰值达到最大,从而减少水下声能衰减的影响。

本文通过COMSOL软件分析2 mm及5 mm波长的IDT在不同激励周期下接收到的信号强度。IDT的布置不变,改变激励信号的周期数,从图8中得出2 mm波长的IDT接收的信号的强度和激励周期的关系。2 mm的IDT的叉指对数为11对。当周期数为22时信号达到最大。

图8 不同激励周期下2 mm-IDT的信号强度

与2 mm波长IDT的布置与一样,从图9中得出5 mm波长的IDT接收的信号的强度和激励周期的关系。5 mm的IDT的叉指对数为5对。当周期数为10时信号达到最大。

图9 不同激励周期下5 mm-IDT的信号强度

本文通过仿真分析,得出了瑞利波强度与叉指对数及激励周期的关系。

3 实验与结果分析

3.1 实验系统组成

实验系统可分为激励部分和接收放大部分,激励原理与单面叉指换能器一致,激励部分为信号发生器提供8个周期的两通道相位差为180°正弦波信号[17],由2个共地的单通道功率放大器放大,两功率放大器与IDT的电极条连接。对于接收部分,接收IDT的信号通过仪表放大器及OP37放大滤波电路放大,由示波器采集。图10为实验系统示意图。

图10 实验系统示意

3.2 2 mm和4 mm波长的IDT的水下传播的衰减

选择2 mm和4 mm波长的柔性PCB叉指换能器,进行液-固界面和气-固界面瑞利波传播特性对比试验,验证COMSOL仿真结果。

65 mm间距下2种环境下的信号如图11所示。2 mm波长的IDT的信号如图12(a)和(b)所示。从图12中可以看出,空气中的瑞利波信号的幅值为1.9 V,2 mm波长水下信号的幅值分别为0.185、0.17和0.18 V,信号的衰减在20.4 dB附近比仿真数据大,其原因为仿真时IDT的间距为58.5 mm,而在实际中IDT的间距在65 mm左右,实际得到的衰减要比在仿真的衰减大,为此对COMSOL软件重新建模,将叉指换能器的间距改为65 mm,水下信号的峰峰值为3.6 mV,空气中信号的峰峰值为40 mV,衰减为20.9 dB与实际20.4 dB接近误差为2.4%。

图11 65 mm间距下2种环境下的信号

图12 2种环境下的2和4 mm波长的实验信号

4 mm波长的IDT实验结果如图12(b)所示,实验得到的衰减为8.3 dB略大于仿真得到的7.6 dB,误差为8.4%。造成衰减不同的原因与2 mm的实验一样。但又因为波长大衰减小的原因实验与仿真结果的差异没有2 mm的大。

3.3 结果分析

经过实验验证COMSOL仿真的结果是可靠的,瑞利波波长越大,其水下衰减越小,尤其在波长2 mm和3 mm时的衰减差异最大。但是实验采集得到的2 mm和5 mm波长的IDT信号,出现了2个波形,与空气中的波形不一致。

为此分析第2个波形产生的原因从图13发现,IDT在激励瑞利波时不仅在固体域中产生弹性波,还在水域产生声波,且瑞利波波速大于水声波速,这也是导致图12(b)和(d)中出现2个声波信号的原因。

图13 水声激励示意

4 结论

1)在水下环境中,PVDF叉指换能器激励的瑞利波的传播距离大大受限,但通过改变波长可以减少水下的衰减;

2)叉指换能器在水下激励瑞利波时还会在水域激励声波,但可以通过瑞利波和水声声波的速度差解决IDT激励的水声干扰的问题;

3)通过COMSOL仿真得到IDT激励声波强度和激励周期的关系即当IDT激励的周期不小于激励瑞利波的IDT的叉指对数与接收IDT的叉指对数之和时,接收的信号的峰峰值达到最大。