埋入混凝土中压电陶瓷换能器声辐射特性研究

论文摘要

随着社会的发展,大型化、复杂化的土木工程结构特别是混凝土结构越来越多,人们也越来越关注这些结构在服役期间的健康状态,逐渐将新材料技术、计算机技术和通信技术等高新技术应用到结构的健康监测中,以保证生命财产安全。传统的混凝土结构检测方法往往只是对在服役期间的混凝土结构健康状态进行定时和关键部位的抽查。智能材料结构在混凝土结构健康检测中的应用为结构健康监测开辟了一个广阔的空间,它兼具传统复合材料和功能材料的双重特性,可实现混凝土结构的实时在线检测。在课题前期提出了一种基于压电埋入式混凝土敏感模块的超声检测方法,在该方法中超声波信号作为混凝土结构内部信息的载体,需要有良好的特性,因此本文开展了埋入混凝土中压电陶瓷换能器声辐射特性研究。（1）讨论了声波在介质中声场指向性形成原理;将压电陶瓷换能器声辐射面等效成具有相同振幅的单一点声源的叠加,对其进行了声场指向性理论推导,得到了随着对压电陶瓷换能器激励频率的增加,其辐射超声波声场指向性越集中的结论;分析了超声检测中影响超声波声能的原因。（2）推导了埋入混凝土中压电陶瓷换能器机械振动数学模型,并根据等效原理,得到了其机械振动等效电路图,等效模型直接反应了压电陶瓷换能器在振动过程中电能-机械能间相互转换的动态过程;分析了埋入状态下混凝土夹持力对压电陶瓷换能器声辐射的影响。（3）通过Ansys有限元模态分析,得到了埋入混凝土中压电陶瓷换能器一阶到四阶振动模态及其固有频率;并进行了在预应力下压电陶瓷换能器Ansys模态分析,分析表明可将埋入混凝土中压电陶瓷换能器振动模态看成是在自由状态下的振动模态;进行了基于压电埋入式混凝土敏感模块的声场指向性和声能实验,结合Ansys仿真和实验,分析得到了如下结论:在声场指向性理论推导中,忽略不同频率下埋入混凝土中压电陶瓷换能器声辐射面振动模态不同,会使得压电陶瓷换能器辐射超声波声场指向性随频率变化规律偏离实际较大,而在相同频率下声场指向性理论结果比实验结果发散;在各阶固有频率下,压电陶瓷换能器的声场指向性集中,但在一阶固有频率下声能最高,因此更适用于超声检测。（4）系统总结了传统的混凝土结构超声检测中利用接收波信号时域和频域特性进行超声检测的手段和原理,为基于压电埋入式混凝土敏感模块的超声检测提供了理论依据和技术支持。（5）进行了埋入混凝土中压电陶瓷换能器辐射超声波在通过混凝土不同测试距离下接收波信号分析实验,将获取到的接收波信号从时域（声速、波幅、首波相位、波形和包络线）和频域（幅度谱、功率谱）两方面分析了测试距离对其信号特性的影响。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 结构健康监测技术
• 1.2 应用于结构健康监测的智能材料结构
• 1.2.1 智能材料结构的概念及其发展
• 1.2.2 智能材料结构的种类及其特性
• 1.3 混凝土结构健康监测
• 1.3.1 传统混凝土结构健康监测
• 1.3.2 应用于混凝土结构健康监测的压电材料智能结构
• 1.4 利用压电埋入式混凝土敏感模块的检测技术
• 1.4.1 压电埋入式混凝土敏感模块及研究成果
• 1.4.2 基于压电埋入式混凝土敏感模块的超声检测技术
• 1.5 本课题研究的意义和主要研究内容
• 2 超声波声场理论
• 2.1 引言
• 2.2 描述超声场的物理参量
• 2.2.1 介质中的声波
• 2.2.2 声压
• 2.2.3 声强
• 2.2.4 声阻抗
• 2.3 混凝土中超声波声场指向性和声能
• 2.3.1 超声波声场及其指向性
• 2.3.2 理想活塞声源声场指向性理论分析
• 2.3.3 声能
• 2.4 小结
• 3 埋入混凝土中压电陶瓷换能器及其等效振动模型
• 3.1 引言
• 3.2 压电效应
• 3.3 压电方程
• 3.3.1 压电材料的电学和力学行为
• 3.3.2 四类边界条件
• 3.3.3 四类压电方程
• 3.4 埋入混凝土中压电陶瓷换能器及其振动等效模型
• 3.4.1 埋入混凝土中压电陶瓷换能器
• 3.4.2 埋入混凝土中压电陶瓷换能器等效振动模型
• 3.5 小结
• 4 埋入混凝土中压电陶瓷换能器声场指向性和声能
• 4.1 引言
• 4.2 有限元分析方法和Ansys 仿真分析
• 4.2.1 有限元分析方法和Ansys 软件
• 4.2.2 Ansys 有限元分析方法基本流程
• 4.3 埋入混凝土中压电陶瓷换能器模态分析
• 4.3.1 Ansys 建模
• 4.3.2 加载与求解
• 4.3.3 模态提取与振型描述
• 4.3.4 预应力下压电陶瓷换能器Ansys 模态分析
• 4.4 基于压电埋入式混凝土敏感模块的声场指向性和声能
• 4.4.1 声场指向性和声能实验测试系统
• 4.4.2 各阶固有频率下的声能
• 4.4.3 各阶固有频率下声场指向性
• 4.5 小结
• 5 埋入混凝土中压电陶瓷换能器辐射声信号分析
• 5.1 引言
• 5.2 超声波信号分析方法
• 5.2.1 时域分析法
• 5.2.2 频域分析法
• 5.3 不同测试距离下声信号特性实验研究
• 5.3.1 信号的时域分析
• 5.3.2 信号的频域分析
• 5.4 小结
• 6 总结和展望
• 6.1 论文总结
• 6.2 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录