北大工學(xué)院李法新課題組在無損檢測/結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展

時(shí)間：2016-10-25 11:04  作者：  來源：工學(xué)院

近日，北京大學(xué)工學(xué)院李法新課題組在無損檢測（NDT）/結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展，他們?cè)O(shè)計(jì)制備的面內(nèi)剪切（d24）型壓電陶瓷換能器，在平板中激勵(lì)出單模態(tài)的零階水平剪切波（SH0），同時(shí)還可以有選擇性地接收SH0波。這項(xiàng)工作近日以快報(bào)的形式發(fā)表在NDT/SHM領(lǐng)域權(quán)威期刊Smart Materials & Structures上，文章第一作者為工學(xué)院2012級(jí)博士研究生苗鴻臣。

超聲導(dǎo)波一直是NDT/SHM領(lǐng)域最熱門的前沿技術(shù)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(dǎo)波相對(duì)簡單且具有明顯的應(yīng)用背景。以平板為例，其中傳播的導(dǎo)波包括Lamb波和SH波。Lamb波易于激勵(lì)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(huì)發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，給信號(hào)處理帶來很大的困難；SH0波是平板中唯一非頻散的導(dǎo)波，傳播過程中不易發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，信號(hào)處理要簡單許多，但單模態(tài)的SH0波很難被激勵(lì)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(diào)制及信號(hào)處理方面。激勵(lì)出單模態(tài)的SH0波一直是該領(lǐng)域研究人員的一個(gè)夢(mèng)想。

上世紀(jì)90年代，學(xué)者們已經(jīng)采用電磁超聲換能器（EMAT）在平板中激勵(lì)出純SH0波。EMAT的最大問題是只適用于導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，由于是非接觸式，雖然在高溫等少數(shù)場合有優(yōu)勢，但其信噪比（SNR）比壓電式傳感器低1-2個(gè)量級(jí)，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(shè)備笨重?zé)o法用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（SHM）。近幾年，學(xué)者們也在嘗試采用壓電纖維、壓電單晶等來激勵(lì)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?cè)赑ZT壓電陶瓷中開發(fā)出d36型面內(nèi)剪切的變形模式（APL，107，122902，2015），進(jìn)而采用d36型PZT陶瓷換能器在平板中激勵(lì)出SH0波（JAP，119，174101，2016），但還是無法激勵(lì)出單模態(tài)的SH0波。2015年12月他們改變了思路，對(duì)面內(nèi)極化的PZT陶瓷施加與極化垂直的面內(nèi)電場，形成d24純面內(nèi)剪切的變形模式，首次采用壓電換能器在平板中激勵(lì)出單模態(tài)的SH0波，同時(shí)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(lì)出非頻散的單模態(tài)零階扭轉(zhuǎn)波T（0，1），目前這兩項(xiàng)工作都在投稿中。這項(xiàng)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(lì)SH0波，可以有力地推動(dòng)基于SH0波的平板類結(jié)構(gòu)的缺陷檢測與健康監(jiān)測。同時(shí)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(jù)主導(dǎo)地位。

 

這項(xiàng)工作也引起了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注和好評(píng)。在剛剛結(jié)束的第一屆軌道交通健康監(jiān)測國際研討會(huì)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(píng)為最佳論文一等獎(jiǎng)（Meritorious Paper Award）。評(píng)審委員會(huì)主席為Structural Health Monitoring雜志主編、斯坦福大學(xué)Chang Fu-Kuo教授，評(píng)審委員包括英國皇家科學(xué)院和工程院兩院院士、帝國理工機(jī)械系系主任Peter Cawley教授等領(lǐng)域內(nèi)權(quán)威學(xué)者。美國Georgia Tech Inst航空系講座教授M. Ruzzene評(píng)價(jià)該工作為“很好，很重要”（very good, very important）。