[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

说明书

本发明公开了一种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。本发明的压电换能器采用在一个基本单元中将两个极化方向反向且具有厚度剪切压电系数d₁₅的压电换能板分别设置在矮侧和高侧延时支柱的表面，诱导被测波导产生的SH₀波或T（0，1）波向两侧传播，矮侧和高侧延时支柱的距离和高度差满足干涉条件，因此在沿高侧延时支柱方向干涉相消，沿矮侧延时支柱方向传播的非频散超声导波则实现干涉增强，从而压电换能器能够在较宽的频率范围内激励沿单向传播的非频散超声导波，且作为传感器过滤掉削弱侧的非频散超声导波，只接收增强侧的非频散超声导波；不论是单向激励还是单向接收，本发明均不需要外加电路或设备提供时间延迟。

技术领域

本发明涉及结构健康监测技术，具体涉及一种用于单向激励和接收非频散超声导波的压电换能器及其实现方法。

背景技术

超声导波探伤因具有检测距离远，灵敏度高等特点，被认为是一种极具潜力的无损检测和在线监测的技术手段。然而，由于超声导波在实际结构中传播特性复杂，当前基于超声导波的无损检测和结构健康监测方法主要处于实验室研究阶段，用于实际工业检测的案例还不多。导波的复杂性主要表现在多模态和频散。所谓多模态即同一频率下波导结构中可以同时传播多种模态的导波。多模态特征不仅使得激励单模态的导波非常困难，还导致导波在波阻抗发生变化的地方（如缺陷、边界等）容易向其他模态的导波发生转换，使得回波信号异常复杂。频散是指导波的波速是随着频率和结构尺寸的改变而改变的特性。频散会引起信号在传播过程中发生畸变，增加了信号处理的难度。使用单模态的非频散导波可有效降低信号的复杂程度，因此研制能够在结构中激励和接收单模态的非频散导波的换能器对于推动超声导波检测或监测技术走向工程应用具有重要的意义。除此之外，通常还希望能够控制入射波的方向，比如沿着一个方向定向发射导波，这样可以有效减少由非缺陷散射体引起的噪音信号。当前，单向传播的导波通常由二维相控阵获得，然而相控阵方法对各个阵源换能器之间的均一性要求较高，且需要较为复杂和昂贵的控制电路，因此亟需发展通过单一换能器就能实现定向激励单模态非频散导波的新技术。