电陶瓷圆片使其辐射超声波 ，超声波在传播过程中 会携带所经路径上混凝 土内部信息 ，接 收此超声波 并做分析，从而实现混凝土结构缺 陷及各种性能指 标的检测 。 在基于压 电埋入 式敏感模 块 的超声检测方 法 中，超声波作为混凝土健康状态信息的载体 ，需要有 集中的声指向性和较高 的声辐射能量 ，这有利 于提 高超声检测 的有效距离和精度 ，而声指 向性 和能量 与激励频率相关 ，压 电陶瓷 圆片声辐射平 面振动而 辐射声波 ，不同的激励频率又将激发声辐射 面不 同 的振动模态 ，因此 ，研究在埋入条件下压 电陶瓷激励 频率和振动模态对声指 向性和能量 的影响 ，找到能 激发埋人混凝土 中压 电陶瓷 圆片辐射超声 波能量 高 、指向性集 中的频率有着重要的理论和工程意义。 1 压 电埋入式混凝 土敏感模块 在压电陶瓷圆片 的两极焊接上 电缆线作为信号 线 ，并在其表面包裹厚 1mm的橡胶层 ，从而制作成 压电敏感元件(直径 26mm)，将压 电敏感元件埋入 调配好的水泥砂浆 中(压电敏感元件埋在模块中部 i0cm处 )，经过 30d的室温养护后制作成压电埋人 式混凝土敏感模块 ，其 内部结构和实物如图 1所示 。 元件 (a)压电埋人式混凝土敏感模块内部结构 ■ 一 (b)压 电敏感兀 件 (c)压 电埋入 式混凝 土敏 感模块 图 1 压 电埋入 式混凝土敏 感模块 内部结构和 实物 压 电陶瓷圆片表面的橡胶层可以起到 的作用 ： ①橡胶层 的绝缘性可 以避免压 电陶瓷圆片两极直接 接触混凝土(?昆凝土的导电性 )而短路 ，无法辐射超 声波 ；②橡胶层 良好 的压缩性使得压 电陶瓷圆片有 较好的振动空间 ，减小混凝土夹持力对其振 动模态 的影响 ，从而将埋人混凝土 中的压 电陶瓷圆片振动 模态看成其在 自由状态下振动模态 ；橡胶层 良好 的 压缩性还避免了混凝土凝 固过程中收缩应力损伤压 电陶瓷圆片。 2 激励频率与声指 向性理论 由于超声检测所 涉及的声 场范 围一般在远场 区 ，本文对声场指 向性 的研究也 只在远场区。将 压电陶瓷圆片沿其平 面轴 向振动看作理想活 塞声 源 ，其平面上每一点等效为单一点声源 ，且各点以相 同的振幅作简谐振动，同时辐射出声波 ，超声波在介 质中传播过程中，将形成具有一定指 向性的声场 ，并 可用声场指 向性 函数描述 ，对于发射响应而言 ，指向 性 函数是描述 辐射声场 (自由远场)的空问分布 函 数 J。归一化的指 向性函数为_8 叩 = =l i ㈩ 式 中，0为方位角，(￡，为声波 圆频率 (与激励频率相 关 )，P为等效各 点声源在声场 中某点叠加 的声压 值 ，P 。为主波束轴心方 向上(0=0)的声压值 ，I， 为一阶贝塞尔函数 ，=w／c。为波数 ，C。为超声波在 介质中传播的速度 ，尺为声源半径。 在指 向性 函数 中，对某一平面活塞声源 ，当方位 角 0确定后 ，声场指 向性受激励频率的影响，随着对 活塞声源激励频率 的增加 ，辐射到混凝土 中的超声 波声场指向性越集 中 j。超 声波是 由于压 电陶瓷 圆片声辐射平面振动而产生 ，因此对 于埋人混凝土 中的压电陶瓷 圆片，研究频率与声场指 向性和能量 的关系 ，需进一步研究在某激励频率下 ，压电陶瓷圆 片声辐射面 的振动模态对声 场指 向性和能量 的影 响 ，据此验证理论结果的合理性 ，并找到能激励压电 陶瓷圆片辐射的超声波声场指 向性集中、能量高 的 频率 。 3 压 电陶瓷圆片有 限元模态分析 压 电陶瓷圆片模态分析可确定其各阶模态振型 及相应的固有频率 ，直接观察 到压 电陶瓷声辐射平 面的振动情况 ，找到影响声指向性和能量的原因；并 且在各阶固有频率处压电陶瓷圆片辐射声能量将达 到一个极值点。典型的无阻尼模态分析求解 的基本 方程是经典的特征值问题lj“J： [K]{ }= [M]{ } (6) 式中各符号的含义：[ ]：刚度矩阵；{ }：第 i阶模 态的振型 向量 ；[ ]：质量矩阵 ；03：第 i阶模态 的固 有频率。图 2所示为利用 Ansys软件仿真获得的压电陶 瓷圆片一阶到四阶模态振型 图，表 1所示 为前四阶 固有频率和振型描述

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