北大工學院李法新課題組在無損檢測/結構健康監(jiān)測領域取得突破性進展

時間：2016-10-25 11:04  作者：  來源：工學院

近日，北京大學工學院李法新課題組在無損檢測（NDT）/結構健康監(jiān)測（SHM）領域取得了突破性進展，他們設計制備的面內剪切（d24）型壓電陶瓷換能器，在平板中激勵出單模態(tài)的零階水平剪切波（SH0），同時還可以有選擇性地接收SH0波。這項工作近日以快報的形式發(fā)表在NDT/SHM領域權威期刊Smart Materials & Structures上，文章第一作者為工學院2012級博士研究生苗鴻臣。

超聲導波一直是NDT/SHM領域最熱門的前沿技術之一，與體波相比，它的優(yōu)勢在于能量衰減慢，適于長距離的缺陷檢測和監(jiān)測。平板和圓管中的導波相對簡單且具有明顯的應用背景。以平板為例，其中傳播的導波包括Lamb波和SH波。Lamb波易于激勵和接收，但它是頻散波，傳播距離受限制，而且遇到邊界和缺陷會發(fā)生波型轉換，給信號處理帶來很大的困難；SH0波是平板中唯一非頻散的導波，傳播過程中不易發(fā)生波型轉換，信號處理要簡單許多，但單模態(tài)的SH0波很難被激勵出來。因此目前平板中研究最多的還是Lamb波，研究主要集中在波型調制及信號處理方面。激勵出單模態(tài)的SH0波一直是該領域研究人員的一個夢想。

上世紀90年代，學者們已經采用電磁超聲換能器（EMAT）在平板中激勵出純SH0波。EMAT的最大問題是只適用于導體結構，由于是非接觸式，雖然在高溫等少數場合有優(yōu)勢，但其信噪比（SNR）比壓電式傳感器低1-2個量級，因此必須采用大功率的發(fā)射裝置才能工作，其檢測距離受到限制，而且設備笨重無法用于結構健康監(jiān)測（SHM）。近幾年，學者們也在嘗試采用壓電纖維、壓電單晶等來激勵SH0波，但一直無法獲得單模態(tài)的SH0波。

李法新課題組先是通過鐵彈疇變在PZT壓電陶瓷中開發(fā)出d36型面內剪切的變形模式（APL，107，122902，2015），進而采用d36型PZT陶瓷換能器在平板中激勵出SH0波（JAP，119，174101，2016），但還是無法激勵出單模態(tài)的SH0波。2015年12月他們改變了思路，對面內極化的PZT陶瓷施加與極化垂直的面內電場，形成d24純面內剪切的變形模式，首次采用壓電換能器在平板中激勵出單模態(tài)的SH0波，同時還可以有選擇性地接收SH0波。隨后課題組還發(fā)展了平面全指向性的SH0波換能器，并且采用指環(huán)形d24壓電陣列，在圓管中激勵出非頻散的單模態(tài)零階扭轉波T（0，1），目前這兩項工作都在投稿中。這項工作（SMS2016）的重要意義在于提供了一種簡單可靠的方式來激勵SH0波，可以有力地推動基于SH0波的平板類結構的缺陷檢測與健康監(jiān)測。同時由于d24型壓電陶瓷換能器安裝無需壓力且成本低廉，有望在長距離管道的安全監(jiān)測中占據主導地位。

 

這項工作也引起了業(yè)內的廣泛關注和好評。在剛剛結束的第一屆軌道交通健康監(jiān)測國際研討會上（中國青島，2016.10.12-14），課題組的論文“Excitation and Reception of SH0 waves by using face-shear piezoelectric ceramics”被評為最佳論文一等獎（Meritorious Paper Award）。評審委員會主席為Structural Health Monitoring雜志主編、斯坦福大學Chang Fu-Kuo教授，評審委員包括英國皇家科學院和工程院兩院院士、帝國理工機械系系主任Peter Cawley教授等領域內權威學者。美國Georgia Tech Inst航空系講座教授M. Ruzzene評價該工作為“很好，很重要”（very good, very important）。