超声导波目标模式的激励方法研究

丁涛涛, 郭 宇, 项延训

(1. 江苏徐工国重实验室科技有限公司,江苏 徐州 221004;2. 高端工程机械智能制造国家重点实验室,江苏 徐州 221004;3. 华东理工大学 机械与动力工程学院,上海 200237)

近三十年,国内外学者针对超声导波检测技术在无损检测和结构健康监测领域的应用开展了大量的理论和应用研究,逐步实现了远距离、不可接触区域以及复杂曲面构件的损伤检测及定位成像[1-3]。然而,超声导波检测技术仍然存在诸多难题亟需解决,例如超声导波频散和多模式特性的存在导致导波信号分析复杂化,使得超声导波信号中有效信息的提取变得比较困难。因此,相关学者针对上述问题开展了导波信号分析处理方法以及超声换能器设计优化等方面的研究。通过设计优化超声换能器可以实现导波目标模式的激励,从而获得理想的导波信号。超声导波目标模式的激励可以解决导波多模式特性带来的难题,从而有效降低导波信号处理分析的难度,提高损伤检测及定位成像的准确性。

导波目标模式的激励主要通过具有模式选择能力的超声换能器实现,包括窄带超声换能器、带有角度的超声换能器、梳状换能器等[4]。窄带超声换能器可以在一定程度上限制导波信号的频率范围避免较多模式导波信号的同时存在。然而任意频率下仍然存在两个或两个以上的导波模式,该方法无法获得理想的单模式导波信号。带有角度的超声换能器使用特定角度的斜块调控导波信号的相速度,从而在某一频率下获得目标模式的导波信号。但是受到换能器尺寸以及耦合条件的影响不适用于长期粘贴在待测构件表面进行结构健康监测。梳状换能器主要利用梳状电极中指间间距与导波波长之间的关系,在某一频率下获得特定波长的导波信号[5-9]。除此之外,梳状换能器具有结构轻量化、外形较薄、结构稳定、柔性等良好特性,可以通过选择压电薄膜材料的频响区间、设计梳状电极指间间距的尺寸和调整激励信号的脉冲延迟实现目标模式导波信号的激励,从而满足多种工况环境的导波检测需求。

梳状换能器主要源于声表面波(surface acoustic wave,SAW)器件的发展。1965年,White等[10]首次提出梳状电极,并将其用于产生声表面波。1967年,Viktorov[11]讨论了梳状换能器在无损检测领域中的应用。20世纪90年代,宾夕法尼亚大学Pelts研究团队[12-13]将梳状换能器应用于超声导波损伤检测,通过选择性激励和接收特定模式的导波信号,以此提高不同类型损伤检测的准确性。帝国理工大学Wilcox研究团队[14]开展了梳状换能器的振动方式以及激励特定模式导波信号方法等方面的工作。国内,北京理工大学Fu等[15]对梳状换能器的导波模式选择能力进行了研究,总结了导波模式选择的方法,验证了梳状换能器在铝板上激励特定模态导波信号的能力。北京工业大学何存富等[16]对梳状换能器的相关参数进行了研究,设计制作了新型的柔性宽带梳状换能器并将其用于管道表面缺陷的检测。为了满足智能结构的发展和应用,实现智能超声换能器结构设计,Shen等[17]提出了一种直写式梳状换能器用于损伤检测研究。Li等[18-19]使用梳状换能器验证了薄管中非线性超声导波二次谐波信号的产生,并将其应用于热疲劳损伤表征试验。Zhu等将聚偏二氟乙烯(polyvinylidene difluoride,PVDF)梳状换能器应用于非线性超声导波检测试验,验证了接收谐波信号的效果。

通过设计梳状换能器中梳状电极的结构以及选取合适的压电材料,可以实现滤波、调控声场和目标模式导波信号的激励等功能。本文在理论分析的基础上利用有限元仿真方法验证了梳状换能器激励产生目标模式导波信号的能力。然后,开展了梳状换能器与传统锆钛酸铅压电陶瓷(piezoelectric ceramic,PZT)的对比试验研究,并且设计不同声场指向性梳状换能器以适用于不同工况环境中的损伤检测及定位成像。

1 理论分析及性能表征

本文中梳状换能器主要是由PVDF压电薄膜、梳状电极、聚酰胺背衬材料以及粘接层组成,如图1所示。在制作过程中,用双面导电胶带(3Mz-轴导电胶带,9703)或氰基丙烯酸酯胶层(乐泰406)在PVDF压电薄膜的一侧粘接带有梳状铜电极的聚酰胺背衬[20]。粘接层自然风干后,将导线焊接或使用银浆粘接在梳状电极的连接束上用于信号的传输。最后,将制作完成的梳状换能器粘接到待测试样表面用于超声导波信号的激励和接收。

图1 梳状换能器结构示意图

1.1 梳状电极理论分析

梳状换能器进行目标模式导波信号的激励主要依据于梳状电极相关参数的设计。梳状电极的相关参数主要包括指间间距L、指宽a、指数n、指长W和指间间隙b,其中指间间距L=a+b,如图2所示。基于输出矢量和方法理论开展梳状电极驱动激励超声导波信号的理论研究。

图2 梳状电极结构图

假设电信号以相同的振幅驱动每根指进行超声导波信号的激励,且超声导波在传播过程中没有衰减。由于梳状电极中所有指的指宽a、指长W均相等,根据指的周期性阵列,相邻指之间的相位差表示为

Δφ=ωτ=ωL/vp

(1)

式中:ω为声同步频率;τ为时间;vp为相速度。梳状电极的总输出为所有指的输出之和,即

Ht=H0ejωτ[1+ejΔφ+ej2Δφ+…+ej(n-1)Δφ]

(2)

当Δφ=2π时,由式(1)可得

L=2πvp/ω=vp/f=λ

(3)

式中,f和λ分别为频率和波长。梳状电极的总输出达到最大值为

Ht,max=nH0ejωt

(4)

由此可得,梳状电极总输出达到最大值的条件是指间间距L等于超声导波的波长λ。因此,梳状换能器在满足相应条件时可以实现特定频率下目标模式导波信号的选择性激励,从而避免多模式特性给导波损伤检测及定位成像带来的影响。

基于上文中的理论分析结果,并且考虑到导波信号的波长可以在相速度频散曲线中进行标定。因此,通过构建梳状电极中指间间距与频散曲线之间的关系,从而更加直观地应用梳状换能器进行导波目标模式的选择性激励。2 mm厚7075铝合金的相速度和群速度频散曲线,如图3所示。

图3 2 mm厚7075铝合金频散曲线

基于导波波长计算公式λ=vp/f,可得波长λ为固定厚度薄板的相速度频散曲线中通过原点斜线的斜率。斜线在相速度频散曲线中会与多个导波模式的频散曲线存在交点,表明使用对应波长设计的梳状换能器可以在交点所对应的频率下激励产生目标模式导波信号。例如,图3(a)中存在的斜线对应的导波波长为3.5 mm,分别在频率为0.7 MHz、1.1 MHz、1.6 MHz、1.8 MHz、2.4 MHz和2.5 MHz时,与A0,S0,A1,S1,A2和S2模式存在交点,表明使用指间间距L为3.5 mm的梳状换能器在相应频率下可以分别激励出对应模式的导波信号。我们利用每种模式导波信号在不同频率下群速度不同的特点,通过试验测量已经验证了该分析结果。图3(b)为群速度频散曲线,可以清晰地看到对应频率下不同模式导波信号在7075铝合金薄板中的传播速度。

1.2 柔性PVDF压电薄膜性能表征

PVDF作为一种高分子铁电聚合物材料,相较于石英晶体以及陶瓷类固体压电材料,具有频率响应宽、声阻抗低、柔软性能好以及抗冲击能力强等优点[21-22]。本文中使用的PVDF压电薄膜为β相,其具有独特的介电、压电和热电性能。基于PVDF压电薄膜柔性以及易于裁剪加工的特性,将其设计制作成梳状换能器并应用于7075铝合金薄板的导波测量试验。为了获得PVDF压电薄膜的频率响应曲线以及验证其在7075铝合金材料中激励和接收超声信号的能力,本文采用超声纵波自发自收的试验测量方法分别对100 μm和200 μm厚的PVDF压电薄膜开展测量试验。两种PVDF压电薄膜除了厚度不同之外,其他参数均相同,材料详细参数如表1所示。

表1 PVDF压电薄膜的材料参数

PVDF压电薄膜材料极化之后在上、下表面蒸镀一层铝电极,采用银浆粘接的方式连接导线进行信号传输。将PVDF压电薄膜裁剪加工成半径为10 mm的圆片状。除此之外,为了研究背衬材料对PVDF压电薄膜频率响应的影响,分别在两种厚度的PVDF压电薄膜上侧粘贴厚度约为100 μm的聚酰胺背衬材料。试验测量过程中,采用甘油作为耦合剂分别将不同厚度以及是否存在背衬材料的圆片状PVDF压电薄膜耦合在边长为40 mm的7075铝合金材料正方体结构的上表面。使用RAM-SNAP-5000高能超声检测系统驱动PVDF压电薄膜在7075铝合金材料中产生超声纵波信号。当超声纵波信号接触到铝合金材料的下边界时发生边界反射,最终由PVDF压电薄膜再次接收到边界反射信号。

使用RAM-SNAP-5000高能超声检测系统中自带的扫频功能,对不同厚度以及是否存在背衬材料的PVDF压电薄膜进行扫频分析,设定扫频范围为0.2～6.0 MHz,信号周期数为5。最终获得不同试验情况下PVDF压电薄膜的频率响应曲线,如图4所示。

图4 不同类型PVDF压电薄膜的频响曲线

由图4可知,每种类型的PVDF压电薄膜的频率响应范围,符合PVDF压电薄膜宽频响的特性。其中,厚度为100 μm且无背衬材料的PVDF压电薄膜的中心频率为4.0 MHz,粘贴背衬材料之后中心频率变为1.2 MHz;厚度为200 μm且无背衬材料的PVDF压电薄膜的中心频率为2.0 MHz,粘贴背衬材料之后中心频率变为1.0 MHz。由此可知,背衬材料对PVDF压电薄膜的频率响应起到了较大的影响作用。另外,PVDF压电薄膜厚度引起中心频率的变化符合压电材料频响与厚度成反比的理论结果。该部分工作为PVDF梳状换能器设计制作提供了试验参考依据,可以根据不同导波模式所对应的频率进行PVDF压电薄膜厚度和背衬材料的选择。

2 有限元仿真分析

考虑到梳状换能器以及待测试样的对称性,本文建立二维多物理场仿真模型用于验证梳状换能器进行导波目标模式激励的效果。仿真模型主要由换能器和7075铝合金薄板两部分构成,其中换能器仿真模型存在两种,分别为平面换能器模型和梳状换能器模型。通过对两种换能器模型仿真模拟结果的比较分析,以验证梳状换能器的导波目标模式激励效果。将两种换能器分别布置在厚度为2 mm,长度为150 mm的7075铝合金薄板上侧,如图5(a)所示。两种换能器仿真模型的结构组成如图5(b)所示。从换能器结构图中可以看出,两种换能器仿真模型的主要区别体现在表面电极的布置方式。平面换能器模型的正极是使用一条没有间断的线段模拟平面电极,梳状换能器模型是使用多条相等长度的线段模拟梳状电极,线段和间隙的长度之和等于待激励模式超声导波信号的波长。两个模型均由PVDF压电薄膜、水(耦合剂)和7075铝合金薄板(待测试样)构成,其中PVDF压电薄膜的厚度为0.2 mm,水在其中作为耦合剂,厚度为0.1 mm,7075铝合金薄板的厚度为2 mm。

图5 二维仿真模型示意图

将模型中PVDF压电薄膜的下表面作为接地端,上表面作为正极进行加汉宁窗正弦脉冲电压信号的激励,函数公式为

(5)

式中:A为输出电压值;A0为初始电压值;f为频率;t为时间;m为周期数。

有限元仿真过程中,初始电压值A0=100 V,频率f=0.7 MHz,周期数m=10。梳状换能器模型中有效电极线段的长度为1.75 mm,周期长度为3.5 mm,共有5个周期,即梳状电极的相关参数为指宽a=1.75 mm,指间间距L=3.5 mm,指数n=5。根据图3中相速度频散曲线可得,波长λ=3.5 mm和频率f=0.7 MHz对应的交点落在A0模式频散曲线上,即有限元仿真中的目标模式导波信号为反对称A0模式。有限元仿真结果显示了两种不同换能器模型激励产生导波信号并在薄板中传播的情况,相同时间点处薄板中导波信号传播的面内位移场,如图6所示。由图6可知,两种换能器均能激发出对称和反对称模式导波信号。平面换能器模型激励的导波信号以对称模式为主,而梳状换能器模型激励的导波信号以反对称模式为主。

图6 不同换能器模型中导波信号在板中传播的面内位移场

为了能够准确辨别薄板中传播的反对称和对称模式的导波信号,在两种仿真模型中相同传播距离处设置点探针进行导波时域信号的接收,结果如图7所示。通过计算导波时域信号的传播速度,得到对称模式导波信号在薄板中的传播速度为4.53 km/s,与频率为0.7 MHz时S0模式对应的群速度(4.77 km/s)相近;反对称模式导波信号在薄板中的传播速度为3.21 km/s,与频率为0.7 MHz时A0模式对应的群速度(3.18 km/s)相近。因此,结果表明平面换能器激励产生的信号以对称S0模式为主,梳状换能器激励产生的信号以反对称A0模式为主,从而验证了梳状换能器对A0模式导波信号的选择性激励能力。

图7 两种换能器模型在相同传播距离获得的导波时域信号

3 试验研究

本文使用PVDF梳状换能器和PZT压电片依次作为导波信号的激励端和接收端,从而通过试验测量方法验证梳状换能器激励目标模式导波信号的效果。试验过程中,使用RAM-SNAP-5000高能超声系统进行加汉宁窗正弦脉冲信号的激励,设定频率为0.7 MHz,周期数为10,试验原理如图8所示。该试验测量过程中共存在四种情况,最终可以获得每种试验测量情况下的导波时域信号,如图9所示。图9(a)为两个相同的PZT压电片分别作为导波信号激励端和接收端时获得的时域信号,通过计算传播速度并与群速度频散曲线进行比较可以得到S0和A0模式的存在。图9(b)为两个相同的梳状换能器同时作为导波信号激励端和接收端时获得的时域信号,通过分析可以得到仅有A0模式导波信号的存在。图9(c)为梳状换能器作为导波信号的激励端而PZT压电片作为导波信号接收端时获得的时域信号,通过分析可以得到S0和A0模式的存在。然而,考虑受到PZT频响特性和PVDF压电性能的影响,梳状换能器作为信号激发端时并未展示出明显的目标模式导波信号激励能力。图9(d)为PZT压电片作为导波信号的激励端,而梳状换能器作为导波信号接收端时获得的时域信号,通过分析可以得到S0和A0模式的存在。综上所述,梳状换能器相较于PZT压电片具有较好的导波模式选择效果,对于特定波长的导波信号具有较好的选择性。

图9 梳状换能器和PZT压电片分别作为信号激励端和接收端获得的时域信号(传播距离均为100 mm)

超声换能器的声场指向性和声波束扩散角将决定所激励的导波信号在待测构件中能够覆盖的检测区域。为了提高大面积构件的检测效率以及局部损伤检测的可靠性,不同声场指向性和声波束扩散角的梳状换能器被研究并应用。本文针对梳状换能器中梳状电极的几何形状进行优化设计,分别制作了四分之一全向和全向梳状换能器,其组成部分与图1所示的梳状换能器结构相同,主要由PVDF压电薄膜、梳状电极、聚酰胺背衬和黏接层组成。基于激光超声检测方法开展了不同形状梳状换能器声场指向性试验研究。使用信号发生器和功率放大器驱动梳状换能器在铝合金薄板中产生导波信号,TEMPO-2D激光超声接收器(TEMPO-2D Laser Ultrasonic Receiver, Sound &Bright, USA)在远场区域进行导波信号的接收,试验原理如图10所示。

图10 声场指向性试验原理图

四分之一全向梳状换能器主要由旋转角度为90°的梳状电极和电极连接束构成,如图11(a)所示。其中:指间间距L=3.5 mm;指数n=5;内径r=5 mm;外径根据公式R=r+(n-0.5)×L计算可得R=20.8 mm。该梳状换能器可以布置在待测构件的边角处,用于局部区域内损伤的定位成像研究。全向梳状换能器的旋转角度为360°,其他参数与四分之一全向梳状换能器相同,如图11(b)所示。该梳状换能器可以布置在待测构件的中心位置进行全区域范围内的损伤检测。试验过程中,将梳状换能器粘贴在7075铝合金薄板表面进行导波信号的激励,频率为0.7 MHz,周期为10。TEMPO-2D激光接收器在距离换能器100 mm圆周的铝合金薄板上表面接收离面位移信号,信号接收的范围为0°～360°,每隔10°设置一个信号接收点。将接收的导波时域信号进行快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)分析,然后基于信号幅值的最大值进行归一化处理,最终分别得到四分之一全向和全向梳状换能器的声场指向性试验测量结果,见图11。经过计算得到四分之一全向梳状换能器中大圆周侧导波信号声束的-6 dB扩散角约为80°,在中间60°范围内的导波信号幅值波动较小。尽管四分之一全向梳状换能器的旋转角度为90°,然而声波束的有效扩散角度却小于90°。因此,使用四分之一全向梳状换能器开展损伤检测及定位试验研究时,应该考虑声场指向性和声波束扩散角对超声导波有效检测范围的影响。全向梳状换能器声场指向性结果,见图11(b)。由图11可知,在梳状换能器的梳状电极连接处出现幅值减小的现象,表明梳状电极连接束的存在对换能器的指向性存在一定的影响,影响范围约为85°,其他角度范围内的信号幅值波动较小。

图11 梳状换能器的声场指向性试验结果

4 结 论

本文将7075铝合金材料作为待测对象,使用梳状换能器进行0.7 MHz时A0模式导波信号的选择性激励。首先,基于输出矢量和方法理论分析了梳状电极中指间间距与导波波长之间的关系,进而探讨了梳状换能器进行目标模式导波信号激励的条件。构建指间间距-导波波长-频散曲线之间的关系,用于目标模式导波信号的选择。其次,分别使用有限元仿真和试验测量方法验证了PVDF梳状换能器具有良好的模式选择能力。最后,分别设计制作四分之一全向和全向梳状换能器,使其进行目标模式导波信号激励的同时实现传播方向的调控。上述研究结果充分表明了梳状换能器在目标模式导波信号激励方面的优势,结合其自身的轻量化、柔性等特点,有望长期粘贴于构件表面进行结构健康监测。