[发明专利]用于单向激励和接收非频散超声导波的压电换能器及方法

权利要求书

1.一种用于单向激励和接收非频散超声导波的压电换能器，其特征在于，所述压电换能器包括m个基本单元，m为≥1的自然数；每个基本单元包括两个压电换能板、矮侧延时支柱、高侧延时支柱和单元内连接基板；其中，压电换能板的形状为l×w×h的长方体，满足h0.5l， 长方体的厚度为h，长度为l，宽度为w，两个面积为l×w的表面分别上表面和下表面，沿长度l的方向为第一方向，沿宽度w的方向为第二方向；压电换能板的极化方向沿着第一方向，具有厚度剪切压电系数d₁₅；压电换能板的上表面和下表面分别作为电极面，在电极面上制备电极；矮侧延时支柱和高侧延时支柱的形状为长方体，长方体的截面形状与压电换能板的电极面一致；两个压电换能板的下表面分别粘贴在矮侧延时支柱和高侧延时支柱的上表面，两个压电换能板的极化方向相反；矮侧延时支柱和高侧延时支柱的底部通过单元内连接基板连接；m个基本单元的底部通过单元间连接基板连接；各个矮侧延时支柱、高侧延时支柱、单元内连接基板和单元间连接基板连接成一个整体构成延时基底；位于2m个压电换能板的上表面和下表面的电极分别采用一根导线电学连接，从而将2m个压电换能板并联；每一个基本单元中，矮侧延时支柱与高侧延时支柱的间距为，高度差为，满足，和，其中，为压电换能板在矮侧延时支柱和高侧延时支柱中产生的类剪切导波的波速，为被测波导中SH₀波或T（0，1）波的波速，f为产生的类剪切导波和SH₀波或T（0，1）波的振动频率；在每一个基本单元中，矮侧延时支柱所在的一侧为增强侧，高侧延时支柱所在的一侧为削弱侧，各个基本单元中，增强侧和削弱侧一致，并且，粘贴在矮侧延时支柱上的压电换能板的极化方向相同；相邻的基本单元的间距为，高度差为，满足；

压电换能器作为致动器或传感器，既能够激励SH₀波和检测具有平板结构的被测波导，也能够激励T（0，1）波和检测管道结构的被测波导；

被测波导具有平板结构，在被测波导上设置压电换能器，压电换能器的延时基底的底面为平面：

作为致动器时，上表面和下表面的电极分别采用一根导线电学连接至单一的信号源；信号源发出交流信号同时激励2m个压电换能板，通过逆压电效应的d₁₅模式产生厚度剪切变形，从而在矮侧延时支柱和高侧延时支柱中产生具有设定的相位差的类剪切导波，类剪切导波分别通过矮侧延时支柱和高侧延时支柱传到被测波导；在一个基本单元内，两个压电换能板的极化方向相反，在矮侧延时支柱和高侧延时支柱中产生的切应力反向，因此矮侧延时支柱和高侧延时支柱中产生的类剪切导波相位相反；矮侧延时支柱与高侧延时支柱具有高度差，使得矮侧延时支柱中的类剪切导波先于高侧延时支柱中的剪切导波到达被测波导，类剪切导波到达被测波导中后，诱导被测波导产生SH₀波并进一步向两侧传播；矮侧延时支柱引起的SH₀波向着高侧延时支柱的一侧即削弱侧传到高侧延时支柱的正下方的时间刚好等于高侧延时支柱中的类剪切导波滞后于矮侧延时支柱中的类剪切导波的时间，从而矮侧延时支柱和高侧延时支柱引起的SH₀波同时到达高侧延时支柱下方的被测波导，矮侧延时支柱和高侧延时支柱诱导被测波导产生的SH₀相遇，且相位相反，因此在高侧延时支柱即削弱侧干涉相消；并且各个基本单元的间距满足干涉增强的条件，对于沿增强侧传播的SH₀波则实现干涉增强，从而达到激励单向传播SH₀波的效果；同时，矮侧延时支柱和高侧延时支柱中的类剪切导波对被测波导的作用等效为两个反平行的切向分布力，因此两者在沿着切应力方向诱导的Lamb波亦将由于对称性原理而干涉相消，从而保证压电换能器所激励的SH₀波的纯净性且只沿着平面360°方向的一个主方向传播即增强侧传播，从而实现激励沿单向传播的SH₀波；

作为传感器时，当被测波导中有SH₀波传播至压电换能器时，首先在矮侧延时支柱和高侧延时支柱中引起类剪切导波，然后类剪切导波分别传至相应的压电换能板，并使压电换能板产生厚度剪切变形，压电换能板通过正压电效应产生电信号；根据波的互易原理，从削弱侧传播过来的SH₀波，在两个压电换能板中引起的电信号相位相反，因此相加得到的总信号被干涉削弱，而从增强侧传播过来的SH₀波，在两个压电换能板中引起的电信号相位增强，因此得到的总信号被干涉增强，即过滤掉削弱侧的SH₀波，只接收增强侧的SH₀波，从而实现单向接收SH₀波；

被测波导为管道结构，沿管道周向一圈均匀布置多个相同的压电换能器，构成周向阵列，每一个压电换能器的第一方向均垂直于管道结构的中心轴，第二方向平行于管道结构的中心轴，所有压电换能器的矮侧延时支柱和高侧延时支柱分别位于同一侧，并且矮侧延时支柱即增强侧朝向管道结构的被测部分，压电换能器的延时基底的底面与管道结构的外表面具有相同的曲率：

作为致动器时，每一个压电换能器中的上表面和下表面的电极分别采用一根导线电学连接，所有压电换能器电学并联，连接至同一个信号源；信号源发出交流信号同时激励多个压电换能器中的所有压电换能板，通过逆压电效应的d₁₅模式产生厚度剪切变形，从而在矮侧延时支柱和高侧延时支柱中产生具有设定的相位差的类剪切导波，类剪切导波分别通过矮侧延时支柱和高侧延时支柱沿着径向传到被测波导的表面，从而在被测波导的表面引起周向均匀分布的剪切应力；压电换能器的数目应能够使其施加的载荷沿着管道结构的轴对称分布；在管道结构中振动位移沿着周向对称分布的导波模态只有扭转导波模态，故在一阶扭转导波的截止频率以下只会激励出单模态的零阶扭转导波T（0，1）波；在每个换能器的基本单元内，两个压电换能板的极化方向相反，矮侧延时支柱和高侧延时支柱中产生的类剪切导波相位相反，因此在管道结构的表面引起相位相反的周向剪切应力；矮侧延时支柱与高侧延时支柱具有高度差，使得矮侧延时支柱中的类剪切导波先于高侧延时支柱中的剪切导波到达被测波导的表面，类剪切导波到达被测波导的表面后，诱导被测波导产生零阶扭转导波T（0，1）并进一步沿平行于中心轴的方向向两侧传播；矮侧延时支柱引起的T（0，1）波向着高侧延时支柱的一侧即削弱侧传到高侧延时支柱的正下方的时间刚好等于高侧延时支柱中的类剪切导波滞后于矮侧延时支柱中的类剪切导波的时间，从而矮侧延时支柱和高侧延时支柱引起的T（0，1）波同时到达高侧延时支柱下方的被测波导的表面，矮侧延时支柱和高侧延时支柱诱导被测波导产生的T（0，1）波相遇，且相位相反，因此在高侧延时支柱即削弱侧干涉相消；并且各个基本单元的间距满足干涉增强的条件，对于沿增强侧传播的T（0，1）波则实现干涉增强，从而达到激励单向传播T（0，1）波的效果；

作为传感器时，当被测波导中有T（0，1）波传播至压电换能器时，首先在矮侧延时支柱和高侧延时支柱中引起类剪切导波，然后类剪切导波分别传至相应的压电换能板，并使压电换能板产生厚度剪切变形，压电换能板通过正压电效应产生电信号；根据波的互易原理，从削弱侧传播过来的T（0，1）波，在两个压电换能板中引起的电信号相位相反，因此相加得到的总信号被干涉削弱，而从增强侧传播过来的T（0，1）波，在两个压电换能板中引起的电信号相位增强，因此得到的总信号被干涉增强，即过滤掉削弱侧的T（0，1）波，只接收增强侧的T（0，1）波，从而实现单向接收T（0，1）波。