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)測中，以保證生命財產(chǎn)安全。傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)檢測方法往往只是對在服役期間的混凝土結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)進(jìn)行定時和關(guān)鍵部位的抽查。智能材料結(jié)構(gòu)在混凝土結(jié)構(gòu)健康檢測中的應(yīng)用為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測開辟了一個廣闊的空間，它兼具傳統(tǒng)復(fù)合材料和功能材料的雙重特性，可實現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)的實時在線

2、檢測。
　　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方法，在該方法中超聲波信號作為混凝土結(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聲源的疊加，對其進(jìn)行了聲場指向性理論推導(dǎo)，得到了隨著對壓電陶瓷換能器激勵頻率的增加，其輻射超聲波聲場指向性越集中的結(jié)論；分析了超

3、聲檢測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)械振動數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)等效原理，得到了其機(jī)械振動等效電路圖，等效模型直接反應(yīng)了壓電陶瓷換能器在振動過程中電能-機(jī)械能間相互轉(zhuǎn)換的動態(tài)過程；分析了埋入狀態(tài)下混凝土夾持力對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模態(tài)看成是在自由狀態(tài)下的振動模態(tài)；進(jìn)行了基于壓電埋入式混凝土敏感模塊的聲場指向性和聲能實驗，結(jié)合Ansys仿真和實驗，分析得到了如下結(jié)論：在聲場指向性理論推導(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模態(tài)不同，會使得壓電陶瓷換能器輻射超聲波聲場指向性隨頻率變化規(guī)律偏離實際較大，而在相同頻率下聲場指向性理論結(jié)果比實驗結(jié)果發(fā)散；在各階固有頻率下，壓電陶瓷換能器的聲場指向性集中，但在一

5、階固有頻率下聲能最高，因此更適用于超聲檢測。
　　(4)系統(tǒng)總結(jié)了傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)超聲檢測中利用接收波信號時域和頻域特性進(jìn)行超聲檢測的手段和原理，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試距離下接收波信號分析實驗，將獲取到的接收波信號從時域(聲速、波幅、首波相位、波形和包絡(luò)線)和頻域(幅度譜、功率譜)兩方面分析了測試距離對其信號