埋入混凝土中压电陶瓷圆片声指向性和能量研究

对埋入混凝土中的压电陶瓷圆片模态分析发现,在各阶振动模态下其声辐射面存在分布不同的振幅极大值区域.基于压电埋入式混凝土敏感模块的声指向性和能量实验表明:不同激励频率引起的压电陶瓷圆片不同的振动模态对声指向性和能量有影响;在声指向性理论中将声源振动面等效为振幅相等的单一点声源的叠加,使得在各阶频率下压电陶瓷圆片辐射声指向...     

基于ANSYS的埋入混凝土中压电陶瓷谐振频率分析

基于ANSYS研究压电陶瓷(PZT-5H)的振动模态,结合谐响应算法得出压电陶瓷3个不同区域的应变-频率曲线,并将压电陶瓷和混凝土单元耦合,实现了压电埋入式混凝土机敏模块的电-声系统声压云图仿真,得到了不同激励频率下的最大声压和声场分布。结果表明压电陶瓷在20 kHz~100 kHz频段内有4个振幅极大值频率点,随着谐振频率的增加,振幅逐渐增加,而振动分布呈先集中后分散的变化趋势;通过谐响应分析发现压电陶瓷声辐射面不同区域最大应变频率均在80kHz附近;由电-声系统的声场分析发现压电陶瓷的激励频率为79.666 kHz时声压最大、声场分布最优、声指向性集中。     

裂缝对埋入混凝土中压电陶瓷电-声特性的影响

利用压电陶瓷的电-声转换特性,将压电陶瓷圆片作为超声源埋入混凝土结构中,构成了压电埋入式混凝土机敏模块.该模块弥补了传统无损检测无法对混凝土结构进行长时间检测的不足.但由于混凝土内部会存在裂缝的影响,压电埋入式混凝土无损检测机敏模块的接收信号较弱.为了提高接收信号的强度,得到成分丰富的频谱,以分析裂缝对埋入混凝土中压电陶瓷电-声特性的影响,设计一种高压脉冲发生模块,该模块可产生幅度为400 V的窄脉冲激励压电陶瓷圆片,获得带宽为50兆赫兹的超声波频谱.实验表明,在高压脉冲激励下,接收信号的幅度值会随着裂缝与压电陶瓷片之间距离的增加而减小;接收信号与激励信号之间的时延会随着裂缝与压电陶瓷片之间距离的增加而增加.     

背衬对埋入混凝土中压电陶瓷电-声特性的影响

传统超声脉冲法不能对混凝土质量进行实时健康监测,将压电陶瓷埋入混凝土中构成的压电埋入式混凝土机敏模块能够进行混凝土结构的在线监测,但由于压电陶瓷在埋入混凝土后其电-声性能受到较大影响,能够激励的声信号能量弱、信噪比低,很难应用于噪声干扰强、待检测结构厚的场合。针对这一问题,提出了通过在埋入混凝土中的压电陶瓷上层合金属背衬的方法,提高声能的利用率和指向性。分析了在不同背衬厚度和不同激励频率条件下接收信号的时、频域特征。结果表明,经过层合金属背衬处理后的超声信号的能量提高了2～6倍,且这种方法并没有影响超声检测信号的波形及频率成分,具有较高的可行性。     

背衬对埋入混凝土中压电陶瓷激励声能的影响

压电埋入式混凝土敏感模块是利用在混凝土中埋入的压电陶瓷形成的一种复合式智能单元.该敏感模块可以对混凝土结构的健康状况进行检测.为了提高埋入混凝土中的压电陶瓷所激励声能的效率从而提高检测的准确性,提出了一种在压电陶瓷圆片一侧用硅橡胶层和金属背衬的方法,该方法能将压电陶瓷双侧的声能集中到一侧从而充分利用声信号能量提高声激励...     

埋入式压电陶瓷厚度对激励声能影响的有限元分析

将压电陶瓷埋入混凝土构成压电埋入式混凝土机敏模块,利用压电陶瓷的逆压电效应实现对混凝土结构的实时健康检测。为保证接收信号质量,采用具有压电陶瓷谐振频率的周期脉冲作为激励。而不同厚度的压电陶瓷具有不同的谐振频率,对于不同厚度的压电陶瓷,激励频率的选择对接收端的超声波信号有较大影响。通过Ansys软件仿真研究压电陶瓷谐振频率随厚度的变化规律,模拟混凝土中压电陶瓷振动辐射的超声波,分析压电陶瓷厚度对辐射超声波的影响。研究表明:压电陶瓷的振幅随厚度的增加逐渐减小;压电陶瓷的厚度小于1 mm时,最大振幅对应的谐振频率变化趋势出现多个拐点;厚度大于1 mm时,谐振频率随着厚度的增加而减小,辐射超声波中心点声压随厚度的增加而增大。     

埋入混凝土式压电陶瓷声-压特性的路径映射分析

将压电陶瓷埋入混凝土结构构成压电埋入式混凝土机敏模块,它是利用压电陶瓷的逆电压效应对混凝土健康状况进行实时在线检测。为了提高接收端检测数据的可靠性,本文采用对压电陶瓷在混凝土中传输声能信号进行路径映射方法研究其传播规律。该方法是基于形函数插值运算的一种后处理技术,能将机敏模块中的位置结果信息映射到模型的任何路径上,通过提取不同路径上的声压能量信息,从而分析压电埋入式中声能的传播规律。实验表明：振源附近声场能量最大,其径向方向能量衰减迅速;能量声压值与映射半径服从乘幂函数衰减特性;对声压值进行不同角度的分析还表明,除径向方向外,声压值与映射角度呈递减特性。     

基于路径映射的埋入式压电陶瓷辐射声能特性研究

将压电陶瓷埋入混凝土构成压电埋入式机敏模块能够实现对混凝土结构在线健康监测。为了提高检测的准确性,本文基于路径映射技术对压电陶瓷辐射超声波在混凝土中传输时的声能特性进行研究。研究表明：随着激励频率增大,压电陶瓷辐射声波能量衰减速度减慢,且当激励频率为79 kHz时,更为适合进行压电埋入式超声无损检测实验。随着超声波传播距离增大,扩散范围越广,声压下降速度和声能衰减速率呈非线性变化。在同一激励频率下,不同路径上的最大声压值和最小声压值分别对应不同的位置：当映射路径的半径小于0.08 m时,最大声压值在厚度方向,最小声压值对应的角度在54到58.5之间;当路径的半径大于0.08 m时,最大声压值对应的角度由于厚度方向与径向方向波的部分重叠而偏离轴向处,而最小声压值对应的角度在45°到61°之间。     

埋入压电材料的机敏混凝土研究

用有限元方法对混凝土模块及埋入其中的压电陶瓷在混凝土试件受到外载荷作用时的应力分布进行了分析.分析结果表明,埋人的压电陶瓷元件上的应力与模块所受外载荷之间存在着线性关系.在对机敏昆凝土试件进行的加载实验中,通过测量埋入的压电陶瓷元件的等效电路参数,根据耗散因子同等效电路参数间的关系,得到了压电陶瓷三种耗散因子随载荷的响应特性.加载实验结果和数据误差分析表明,压电耗散因子与试件外部载荷之间存在一定的规律性和较好的稳定性.验证了将陶瓷元件直接埋入混凝土结构内部检测结构内应力,是一种可行的,实现对混凝土结构安全进行实时、在线、主动的检测方法.     

埋入式压电声源的声信号改进阈值降噪方法

将压电陶瓷埋入混凝土中形成一种具有应力、温度及缺陷检测和监测的混凝土机敏模块的方法具有结构低损伤和长期在线监测功能等多方面的优势。然而,长期以来,压电埋入式结构产生声信号的低信噪比问题一直是阻挠其发展的主要因素之一。本文基于提升小波算法,提出了一种声信号降噪的改进阈值算法。引入参数修正因子α用于调整估计小波系数,构造了一种基于提升小波的改进阈值函数。通过对课题组提出的一种压电埋入式混凝土模块中声信号的处理,得到了较常规软、硬阈值算法更优的降噪效果,信号的信噪比(SNR)最多提高了58.32%,均方误差(MSE)最多降低了64.28%。     

微压电复合材料超声波探测器的制备及应用

基于微细加工工艺,设计并制备了一种指向性良好的压电复合材料的超声波探测器。该探测器由压电振子、阻尼器、中继板和特高频（UHF）连接器构成。压电振子由4×4个（80μm×80μm×130μm）（长×宽×高）的锆钛酸铅（PZT）压电柱状阵列及阵列缝隙填充环氧树脂而构成。当压电振子施加高频交流电压时,柱状PZT阵列产生纵向伸缩运动,从而产生超声波并向介质辐射。作为填充材料的环氧树脂,能够吸收掉因柱状PZT阵列其他方向振动而引起的噪声,使探测器在纵向上能产生指向性良好的超声波,从而提高了该探测器的灵敏度。测试结果表明,该微压电探测器指向性好,灵敏度高,精度高和抗干扰性好,可应用在泥沙的含水量测量中。     

压电晶体传感器激励模型及其在结构健康监测中的应用

在结构健康监测系统中,基于应力波的结构损伤诊断技术是一种主动的局部损伤检测方法.压电晶体传感器作为激励部件可以在结构中引入高频应力波;其同裂纹等局部损伤发生相互作用将产生波动的能量耗散、波形反射以及波形干涉等现象.通过对附着在无约束金属板上的压电晶体传感器(PZT)激励模型的理论分析及有限元数值计算,说明PZT能有效地产生检测应力波,并可将其应用在结构局部损伤检测中.     

线形超声相控阵换能器的阵列设计

超声相控阵检测技术是利用脉冲反射法对被检构件中是否存在缺陷(如裂纹、夹杂、气孔等)进行无损检测,阵列换能器是该检测技术中实现电-声转换的传感器件,其声场特性是能否获得并有效利用被检测部位或区域回波信息的决定因素,也是设计换能器阵的主要依据。从平面矩形活塞阵元的辐射声场出发,利用简便算法对阵元辐射声场、一维线阵辐射声场进行了仿真模拟,分析了影响阵列换能器性能的几个主要因素,提供了阵列换能器的设计思路,并对采用相控阵超声换能器与常规超声换能器探测人工缺陷时的扫查波形进行了比较。     

基于SAW表面气液相效应和GC分离柱的气敏传感器的研究

限于传统涂敷敏感膜的声表面波（SAW）气敏传感器存在成膜困难和选择性差、重复性差以及再生性差等问题，本研究提出一种基于压电基底表面气体气液相转换效应机理的瑞利波传感器。首先建立了挥发性有机气体(VOCs)液相凝聚体薄层负载下的SAW波传模型，并仿真计算了其波传频散和波传衰减。然后在此基础上开发了一种基于瑞利声表面波传感器和气相色谱（GC）分离柱的便携式气体检测系统。最后实验论证了方案的可行性，初步的实验结果表明该系统具有分析时间短、选择性好、灵敏度高（可检测ppb浓度的混合VOCs）以及成本低等优势，因此其在痕量挥发性有机气体检测和分析应用上有良好的潜力和前景。     

地雷对地表声阻抗率的影响研究

设计一种基于地震检波器的实验系统,分析地雷对地表声阻抗率的影响。用音响发射扫频的正弦声波穿透到地下土壤,用声级计和地震检波器分别测得地表声压级和振动速度。测试数据显示,没有地雷的地表声阻抗率与有地雷的比值在72,140Hz处出现2个极大值,用相长干涉原理和地雷与其上方土壤的谐振作用解释了这一现象。结果表明:地雷能在较宽频带内减小地面声阻抗率,所设计的实验系统可用于声波探雷的进一步研究。     

稀相气固两相流探针声检测方法的测量信号特征分析

设计了基于探针方法,且声检测传感器安装于管道外的气固两相流检测传感器结构。针对该结构,通过单颗粒与多颗粒的撞击实验,结合频谱分析,发现声信号的峰值频率固定,经分析为颗粒激发探针在固有频率处的振动所致,可将探针近似为悬臂梁进行分析。通过管道实验可知,固有频率处的峰值与固相颗粒的速度和质量分数具有很强的相关性,该信号特征有望应用于气固两相流的在线检测中。