北京大学发表研究成果 开启结构健康监测新时代

　　【仪表网 仪表研发】近日，超声杂志Ultrasonics发表了北京大学工学院李法新课题组的题为“A practical omni-directional SH wave transducer for structural health monitoring based on two thickness-poled piezoelectric half-rings”的论文(Q. Huan et.al, Ultrasonics,2019(94): 342-349)。该文提出了一种结构简单、可广泛应用于结构健康监测领域的水平剪切(SH)波压电换能器。它由两个极化相反的半圆环组成，施加环向电场，可方便地激励出各向同性的非频散水平剪切波SH0。这项工作的发表标志着李法新课题组在超声导波检测/监测领域取得地位，开辟了SH波基础研究及应用研究的新时代。论文作者是北大工学院2015级博士生宦强。
 

 

图1. 双半圆环SH波换能器及其激励的全向性SH波
 

　　近年来结构健康监测(SHM)在现代工业中变得越来越重要，对于管道、板壳等大型结构来说，超声导波监测方法具有传播距离长、定位准确等独有的优势。然而，目前普遍采用的Lamb导波由于多模态、频散等问题，在实际应用中受到诸多限制。相比之下，零阶SH导波是完全非频散的，而且只有一个位移分量，在计算分析和信号处理方面具有明显优势，但纯的SH波很难用压电换能器激励出来。
 

　　早在上世纪70年代末，美国学者Thompson等已经采用电磁超声换能器(EMAT)在平板中激励出较纯的SH波。但EMAT的大问题是能量转换效率太低，因此必须采用大功率的发射装置和信号放大接收电路才能工作，其检测距离受到限制，难以发挥导波长距离检测的优势，而且设备笨重无法用于结构健康监测(SHM)。无损检测领域学者、英国两院院士、帝国理工学院的Peter Cawley教授在其论文(IEEE. UFFC., 2011)中指出：“平板中的SH导波和管道中的扭转导波难以用常规的压电换能器激励”。电磁超声领域学者、日本大阪大学Ogi教授在论文(NDT&E International., 2012)中评论:“当前SH波的研究主要集中在理论和数值模拟，原因在于SH波难以用压电换能器激励”。因此，采用压电换能器激励出纯的SH波一直是该领域的一个难题，这严重制约了SH波基础研究和应用研究的进展。
 

　　李法新课题组从2015年开始从事SH波激励方法的研究，由于在铁电压电领域的多年积累，在三年多时间内就取得了突破性进展，先后研制出三代剪切型SH波压电换能器，可方便地用于SH波的基础研究及检测监测应用研究。
 

　　代：面内剪切d36型及合成d36型SH波压电换能器
 

　　常规的PZT压电陶瓷由于极化后为横观各向同性，不存在d36面内剪切的变形模式。课题组通过应力诱导铁弹畴变，在PZT陶瓷中开发出d36面内剪切的变形模式(APL2015)(见图2左)。采用d36型PZT陶瓷可以激励出SH波(Miaoet al, JAP 2016)，但同时也激励出Lamb波。他们改进设计，采用二维反向极化的方法制备了合成d36型压电陶瓷(Li, Miao, JAP 2016)(见图2中)，它激励SH0波的效果要好一些，但仍然无法激励出纯的SH0波。他们提出对厚度极化PZT陶瓷分割电极、施加二维反向电场的方法(见图2右)，可在较窄频带内激励和接收SH0波(Huanet al, Ultrasonics 2018)。这种方法可采用商用的厚度极化PZT，适合实验室研究，但因引线麻烦，不适合大范围应用。
 

　　第二代：面内剪切d24型SH波压电换能器
 

　　2016年他们提出了新型面内剪切d24模式(图3左)，采用d24型压电换能器在平板中激励出单模态非频散的零阶SH波，同时还可以有选择性地接收SH波(滤掉Lamb波)。这项工作于2016年11月发表在领域期刊Smart Mater Struct，并入选该期刊2016年度23篇亮点论文(Highlights)之一(全年540余篇论文)。他们进而采用一对尺寸优化的d24型压电片(图3中)，制备出双向聚焦型SH波换能器，适于研究SH波的基本性质和激励大口径管道中的周向SH导波(Miao et al, Ultrasonics 2018)。同时，他们采用指环形d24压电片阵列(图3右)，在圆管中激励出非频散的零阶扭转波T(0,1) (Miao et al,Smart Mater Struct2017)，为长距离管道的结构健康监测提供了方便可行的技术方案。
 

　　第三代：全向型SH波压电换能器
 

　　前面的代和第二代SH波换能器均是方向型(十字指向)或双向(聚焦)型，而在板壳结构检测/监测中需要全向型SH波换能器。课题组采用d24型压电片平面圆环阵列合成周向极化(图4左)，实现了全向型的SH波换能器(Miao et al, Ultrasonics 2017)，其各方向灵敏度偏差约为15%，可接受但不理想。他们进一步提出基于新型厚度极化、厚度剪切d15模式压电圆环12等分的全向型SH波换能器(Huanet al, Smart Mater Struct 2017)(见图4中)，该换能器信噪比高(~24dB)、均匀性好(灵敏度偏差6-7%)，已经在稀疏阵列结构健康监测中得到应用验证。相比于基于Lamb波的结构健康监测系统，基于非频散SH0导波的监测系统具有缺陷定位精度高、信号处理简单、可变频工作等明显优势。然而，这种12阵元的换能器在大规模应用中还是不太方便。
 

　　发表的基于双压电半圆环的全向型SH波换能器，结构简单，性能优良，彻底解决了SH波用于结构健康监测中的技术问题。可以预见在不久的将来，导波检测/监测领域的研究格局将发生改变，基于SH波的检测/监测方法将得到迅速发展。而且，这种双半圆环的SH波压电换能器同时还是一个的扭转振动换能器，可以在圆棒或圆管中激励出非频散的扭转导波T(0,1)，因此必将在超声和振动相关领域得到广泛应用。
 

　　上述发展的SH波换能器已经在美国Tufts大学、北京理工大学、厦门大学、大连理工大学等单位得到应用，反响很好。相关工作先后获得届和第二届轨道交通结构健康监测研讨会一等奖(2016、2018,均)、中国铁道学会佳论文一等奖(2019)等奖项。
 

　　(原文标题：工学院李法新课题组发表SH超声导波换能器研究成果 开启结构健康监测新时代)