LIU Li，CHEN Yu，XU Zhilong，WANGQin，ZHAO Airong

(School Of Electronics And Information Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China)

Analysis of the Harmonic Frequency to Piezoelectric Ceramic Embedded in Concrete*

LIU Li，CHEN Yu*，XU Zhilong，WANGQin，ZHAO Airong

(School Of Electronics And Information Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China)

A research about the vibrationmode of piezoelectric ceramic(PZT－5H)based on ANSYShas beenmade，combiningwith harmonic response algorithm to obtain three different regions of vibration－frequency curve of piezoelectric ceramic，realizing the simulation of acoustic pressure cloud picture of the electronic－acoustic system with embedded type of piezoelectric concretemodule while coupling piezoelectric ceramic and concrete units，and further receiving themaximum acoustic pressure and acoustic fields distribution under different excitation frequency.The results shows that the piezoelectric ceramic has fourmaximum amplitude points in 20 kHz～100 kHz.Alongwith the increase of harmonic frequency，and the increase of amplitude，the vibration distribution takes on the variation trend of scattering before concentration;through the analysis of harmonic response，it shows that different regions of piezoelectric ceramic acoustic radiant surface all has themaximum vibration－frequency nearby 80 kHz;according to the analysis of acoustic fields of electronic－acoustic system，if the excitation frequency is79.666 kHz，the acoustic pressure is themaximum，the acoustic fields is the best and the acoustic directivity is concentrated.

concrete;piezoelectric ceramic;harmonic frequency;electronic－to－acoustic system

現(xiàn)代建筑行業(yè)中，對(duì)成品混凝土內(nèi)部有可能出現(xiàn)的裂縫、空洞等缺陷進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，實(shí)時(shí)掌握這些缺陷的發(fā)展規(guī)律，預(yù)測(cè)混凝土后期的耐久性和承載性，有利于排除安全隱患，對(duì)實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)起到至關(guān)重要的作用［1］。在混凝土結(jié)構(gòu)的健康檢測(cè)中，無(wú)損超聲檢測(cè)是主要方法［2－3］。文玉梅等將壓電材料埋入混凝土內(nèi)部，提出一種壓電埋入式混凝土無(wú)損超聲檢測(cè)的方法［4－5］。壓電埋入式混凝土無(wú)損檢測(cè)是一種由電信號(hào)激勵(lì)壓電材料進(jìn)行電－聲轉(zhuǎn)換來(lái)獲取混凝土內(nèi)部信息的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的在線、不間斷、主動(dòng)及無(wú)源檢測(cè)。陳雨等通過(guò)制作壓電埋入式機(jī)敏模塊，研究了埋入混凝土中壓電陶瓷溫度及應(yīng)力特性［6－8］。壓電材料埋入混凝土內(nèi)部，會(huì)產(chǎn)生一些如輻射聲場(chǎng)能量弱、壓電陶瓷激勵(lì)效率低、換能器接收信號(hào)微弱等問(wèn)題［9］。此外，混凝土健康檢測(cè)過(guò)程中的超聲激勵(lì)、壓電陶瓷聲場(chǎng)輻射、換能器信號(hào)接收均會(huì)產(chǎn)生噪聲，干擾有用信號(hào)，影響檢測(cè)結(jié)果，因此要實(shí)現(xiàn)混凝土的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，應(yīng)加強(qiáng)埋入混凝土中壓電陶瓷的聲輻射效應(yīng)，提高聲激勵(lì)效率，提高系統(tǒng)信噪比，減小混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的估測(cè)誤差，從而提高混凝土在線監(jiān)測(cè)的有效性和實(shí)用性。

對(duì)于提高埋入式壓電陶瓷電－聲系統(tǒng)的聲激勵(lì)響應(yīng)研究已有一些成果，文獻(xiàn)［10］在壓電陶瓷一側(cè)層合金屬背襯，以不同激勵(lì)頻率激勵(lì)壓電陶瓷進(jìn)行聲能分析，找到了一種提高壓電陶瓷聲激勵(lì)效率的方法;文獻(xiàn)［11］通過(guò)構(gòu)造小波改進(jìn)閾值函數(shù)，對(duì)壓電傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行降噪，達(dá)到了提高系統(tǒng)信噪比的目的。本文基于物理學(xué)中共振［12］會(huì)使壓電陶瓷電－聲系統(tǒng)的振動(dòng)強(qiáng)度達(dá)到最大、輻射產(chǎn)生的聲能量達(dá)到最高的原理，對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行了振動(dòng)模態(tài)分析，得出共振情形下的多個(gè)諧振頻率點(diǎn)，通過(guò)諧響應(yīng)分析壓電陶瓷聲輻射面的不同區(qū)域，得出壓電陶瓷中心點(diǎn)、中心區(qū)域、邊緣區(qū)域應(yīng)變－頻率曲線，驗(yàn)證了模態(tài)分析得出的結(jié)論，通過(guò)分析比較找到了壓電陶瓷的最優(yōu)諧振頻率點(diǎn)。通過(guò)在ANSYS中選擇相應(yīng)單元，模擬了壓電埋入式混凝土機(jī)敏模塊的研究模型，并以最優(yōu)諧振頻率同頻的電信號(hào)來(lái)激勵(lì)壓電陶瓷，實(shí)現(xiàn)了埋入混凝土中壓電陶瓷電－聲系統(tǒng)的聲壓云圖仿真，得到不同激勵(lì)頻率下的最大聲壓和聲場(chǎng)分布情況，并再次驗(yàn)證了以最優(yōu)諧振頻率79.666 kHz激勵(lì)埋入式壓電陶瓷產(chǎn)生最佳諧振振動(dòng)的結(jié)論。

1 壓電陶瓷諧振頻率點(diǎn)的分析

1.1 埋入混凝土中壓電陶瓷電－聲系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1 埋入式混凝土機(jī)敏模塊與帶硅橡膠包裹的壓電陶瓷圖

壓電陶瓷(PZT－5H鈮鎂鋯鈦酸鉛三元系壓電陶瓷)［13］是一種具有電聲效應(yīng)的電聲材料，將壓電陶瓷埋入待澆筑的混凝土，制作成機(jī)敏模塊，如圖1(a)所示。該模塊可以對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)以壓電陶瓷諧振頻率同頻的周期脈沖激勵(lì)機(jī)敏模塊中的壓電陶瓷時(shí)，壓電陶瓷可產(chǎn)生諧振振動(dòng)，出現(xiàn)較強(qiáng)的振動(dòng)狀態(tài)而有利應(yīng)用于待測(cè)結(jié)構(gòu)厚、信號(hào)干擾強(qiáng)的混凝土類型。因?yàn)榛炷猎缙跐仓^(guò)程的凝固和干縮而引起非均勻體積變化從而造成對(duì)檢測(cè)效果的影響，而壓電陶瓷本身比較脆，可使用硅橡膠覆蓋于壓電陶瓷表面，不僅可以避免因混凝土澆筑過(guò)程中的干縮力對(duì)其產(chǎn)生的損傷，而且可以增加壓電陶瓷的聲阻抗匹配。此外硅橡膠還具有絕緣、防腐蝕的特性，可以起到保護(hù)壓電陶瓷的作用，將同軸電纜接于壓電陶瓷上下兩個(gè)表面，尾部制作成激勵(lì)輸入口，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1(b)所示。

埋入混凝土中壓電陶瓷電－聲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是利用壓電陶瓷具有逆壓電效應(yīng)，通過(guò)激勵(lì)電信號(hào)埋入混凝土的壓電陶瓷，由壓電換能器接收輻射產(chǎn)生的聲信號(hào)，經(jīng)過(guò)聲－電轉(zhuǎn)化導(dǎo)入示波器中實(shí)現(xiàn)對(duì)聲波傳播路徑上所攜帶的混凝土內(nèi)部信息的獲取。如圖2所示，超聲換能器在另一側(cè)進(jìn)行聲波接收，再轉(zhuǎn)化成電信號(hào)導(dǎo)入示波器進(jìn)行波形調(diào)節(jié)和顯示，也可將傳遞出的信息拷貝入PC內(nèi)進(jìn)行后期信號(hào)降噪、信號(hào)譜分析等等，對(duì)攜帶的有用信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理，以提高分析的準(zhǔn)確性。

圖2 基于壓電埋入式混凝土機(jī)敏結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)電－聲系統(tǒng)

1.2 基于簡(jiǎn)正運(yùn)動(dòng)下的壓電陶瓷分析

針對(duì)使用壓電陶瓷材料制作而成的PZT－5H電聲器件而言，壓電振子可以看作一塊板狀結(jié)構(gòu)。所選用的壓電陶瓷圓片半徑為12 mm，厚度為2 mm，徑向距離相比厚度而言較小且材料中相應(yīng)的波長(zhǎng)相比也較小，所以PZT－5H壓電陶瓷可近似看作一個(gè)“薄”的平板。

根據(jù)文獻(xiàn)［14］中振動(dòng)方程:

方程中E為楊氏模量，R為圓片的半徑，ρ為密度，σ為泊松比，η(t，x，y)表示圓片中心面上任何一點(diǎn)在垂直方向的位移，▽4是直角坐標(biāo)的一種算符，再根據(jù)分離變量法可求出壓電陶瓷振動(dòng)的簡(jiǎn)正頻率為

PZT－5H壓電陶瓷厚度h=2 mm，壓電圓片的鉗定直徑為a=24 mm，彈性常數(shù)矩陣由文獻(xiàn)［15］可得，再根據(jù)壓電陶瓷的參數(shù)，求出了第1泛頻、第2泛頻、第3泛頻、第4泛頻如表1所示。

表1 PZT－5H壓電陶瓷的簡(jiǎn)正頻率

簡(jiǎn)正運(yùn)動(dòng)是無(wú)阻尼運(yùn)動(dòng)，雖然一個(gè)系統(tǒng)的簡(jiǎn)正運(yùn)動(dòng)所對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)正頻率反映了系統(tǒng)的固有頻率特性，但是本文的研究模型是將壓電陶瓷(PZT－5H)埋入混凝土內(nèi)部，制作成壓電埋入式混凝土機(jī)敏模塊，會(huì)因?yàn)槟踢^(guò)程中的干縮力、混凝土夾層對(duì)壓電陶瓷產(chǎn)生夾持力等阻尼效應(yīng)，與簡(jiǎn)正振動(dòng)模式存在條件不符的問(wèn)題。結(jié)合已有研究結(jié)果［10，16］發(fā)現(xiàn)表1的計(jì)算結(jié)果與壓電陶瓷的諧振頻率存在絕對(duì)誤差，不能根據(jù)簡(jiǎn)正模式下的壓電陶瓷來(lái)得出結(jié)論，所以本文基于ANSYS軟件，從模態(tài)仿真入手分析壓電陶瓷振動(dòng)模態(tài)，得出與壓電埋入環(huán)境相符的諧振頻率分布情況和最優(yōu)諧振頻率。

1.3 壓電陶瓷PZT－5H模態(tài)分析

為了確定壓電陶瓷在不同振動(dòng)模態(tài)下與其固有頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)PZT－5H進(jìn)行模態(tài)分析［17］發(fā)現(xiàn)在20 kHz～100 kHz頻段內(nèi)有14個(gè)不同的振動(dòng)模態(tài)，各階模態(tài)下其振幅、諧振頻率均不同。如圖3所示，在二維坐標(biāo)系中將14種振動(dòng)模態(tài)的振幅－頻率進(jìn)行描點(diǎn)，得到了振幅－頻率變化折線。

圖3 PZT－5H振幅－頻率變化折線

圖3 中20 kHz～100 kHz頻段內(nèi)壓電陶瓷的振幅出現(xiàn)了4個(gè)極大值，分別對(duì)應(yīng)4個(gè)諧振頻率點(diǎn): 40.307 kHz、60.928 kHz、79.666 kHz、84.895 kHz，描點(diǎn)于圖4所示，4個(gè)振幅極大值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的振幅隨著頻率增加而增加。圖5分別對(duì)圖4中諧振頻率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行提取，圖中壓電陶瓷分布的不同顏色對(duì)應(yīng)顏色軸，可知機(jī)械振動(dòng)在聲輻射表面產(chǎn)生了不同大小的應(yīng)變分布。

圖4 PZT－5H振幅極大值－頻率變化折線

圖5 不同諧振頻率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的諧振模態(tài)圖

表2 PZT－5H在20 kHz～100 kHz的諧振頻率和振形描述

PZT－5H壓電陶瓷進(jìn)行模態(tài)分析，在20 kHz～100 kHz頻段內(nèi)壓電陶瓷有14個(gè)不同的振動(dòng)模態(tài)，特對(duì)其中4個(gè)振幅極大值所在的頻率點(diǎn)進(jìn)行模態(tài)分析。由圖可知壓電陶瓷聲輻射面存在不同的振幅極值區(qū)，隨著諧振頻率的增加，振幅逐漸增加，而振動(dòng)分布呈先集中后分散的變化趨勢(shì)，且圖5(a)、5(b)、5(d)是邊緣厚度振動(dòng)，圖5(c)為中心振動(dòng)，振動(dòng)幅度最大值出現(xiàn)在中心點(diǎn)處，且振動(dòng)分布均勻，圓片中心到邊緣區(qū)域應(yīng)力強(qiáng)度順次遞減到邊緣區(qū)域邊界再繼續(xù)進(jìn)行反方向遞增，為典型的中心區(qū)域振動(dòng)模型;圖5(a)、5(b)、5(d)中，振動(dòng)明顯地帶為邊緣區(qū)域并以正弦波動(dòng)形狀振動(dòng)，中心區(qū)域振動(dòng)幅度不大，應(yīng)力值較小，邊緣區(qū)域分別為4、5、6個(gè)振幅極大值，并以邊界最強(qiáng)振動(dòng)衰弱到兩側(cè)，為邊緣振動(dòng)模型。由圖中可知，4個(gè)諧振頻率點(diǎn)中只有圖5(c)為中心振動(dòng)，即為在諧振頻率點(diǎn)79.666 kHz處可產(chǎn)生能量最強(qiáng)最集中的振動(dòng)。

圖6 壓電陶瓷劃分區(qū)域圖及中心應(yīng)變的頻率曲線圖

模態(tài)分析得到了壓電陶瓷在20 kHz～100 kHz頻率內(nèi)各階振動(dòng)模態(tài)和諧振頻率點(diǎn)，通過(guò)分析比較得出較優(yōu)諧振頻率點(diǎn)為79.666 kHz，由于壓電陶瓷表面不同區(qū)域振動(dòng)下諧振點(diǎn)的分布情況不明確，所以需要進(jìn)行諧響應(yīng)分析，一方面來(lái)驗(yàn)證本節(jié)結(jié)論，另一方面找出壓電陶瓷不同區(qū)域下諧振頻率與相應(yīng)振幅的關(guān)系。

1.4 壓電陶瓷PZT－5H諧響應(yīng)分析

壓電陶瓷為高耦合、高介電常數(shù)、高柔順性鋯鈦酸鉛壓電陶瓷PZT－5H，沿厚度方向極化。將壓電陶瓷劃分為3個(gè)區(qū)域(如圖6(a))，使用POST26在壓電陶瓷電壓自由度耦合部中選取節(jié)點(diǎn)序號(hào)最低的節(jié)點(diǎn)，提取其沿厚度方向的應(yīng)變值，通過(guò)截取3個(gè)具有代表性的地方(邊緣區(qū)域、中心區(qū)域、中心點(diǎn))進(jìn)行頻率－應(yīng)變曲線圖的求解。

由圖6(b)、6(c)、6(d)和表3可知，圖6(b)為邊緣區(qū)域的應(yīng)變－頻率曲線，圖中出現(xiàn)多個(gè)振幅極值點(diǎn)，多個(gè)諧振頻率點(diǎn)，而最優(yōu)諧振頻率點(diǎn)出現(xiàn)在82.125 kHz，振幅最大值為2.76×10－21，達(dá)到了此區(qū)域中最強(qiáng)的振動(dòng)狀態(tài);圖6(c)為中心區(qū)域出現(xiàn)多個(gè)振幅極值點(diǎn)，多個(gè)諧振頻率點(diǎn)，而最優(yōu)諧振頻率點(diǎn)出現(xiàn)在79.666 kHz，振動(dòng)幅度為1.75×10－21;圖6 (d)為中心點(diǎn)處諧振頻率點(diǎn)80.000 kHz，振動(dòng)幅度為3.30×10－8。從圖6(b)、6(c)、6(d)中，中心處(中心區(qū)域和中心點(diǎn)處)的最優(yōu)諧振頻率點(diǎn)都在80 kHz附近，最大振幅出現(xiàn)在中心點(diǎn)處且遠(yuǎn)大于中心區(qū)域和邊緣區(qū)域，可見中心點(diǎn)處激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)狀態(tài)最強(qiáng)。分析不同區(qū)域的最優(yōu)諧振頻點(diǎn)，取三者的平均值近似為80.597 kHz，與1.3節(jié)中模態(tài)分析得出的結(jié)論相差不大。綜上可知壓電陶瓷聲輻射面上的不同區(qū)域產(chǎn)生的最大應(yīng)變時(shí)諧振頻率均在80 kHz附近，即使用80 kHz同頻的電信號(hào)激勵(lì)埋入混凝土中的壓電陶瓷時(shí)可達(dá)較強(qiáng)的振動(dòng)強(qiáng)度，產(chǎn)生較大的振動(dòng)幅度。

表3 PZT－5H聲輻射面不同區(qū)域的應(yīng)變描述

2 壓電陶瓷PZT－5H聲場(chǎng)分析

由于壓電陶瓷通過(guò)振動(dòng)向外輻射聲波，所以應(yīng)變和聲場(chǎng)之間必然存在某種聯(lián)系［18］。在聲場(chǎng)理論與激勵(lì)頻率關(guān)系中，壓電陶瓷受激勵(lì)頻率作用輻射聲波響應(yīng)不僅與振動(dòng)幅度也與聲指向性相關(guān)。下面將進(jìn)行聲場(chǎng)仿真來(lái)模擬壓電陶瓷埋入混凝土中的聲輻射效應(yīng)。通過(guò)3節(jié)的結(jié)論可知，若以約80 kHz的頻率作為壓電陶瓷的激勵(lì)頻率，進(jìn)行壓電埋入式混凝土機(jī)敏模塊的聲輻射實(shí)驗(yàn)，推斷應(yīng)可達(dá)到聲指向性集中、聲壓較大的聲場(chǎng)效果。

壓電陶瓷在20 kHz～100 kHz頻段內(nèi)有4個(gè)諧振頻率點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)分別選擇這4個(gè)頻點(diǎn)作為激勵(lì)頻率來(lái)仿真產(chǎn)生最大振幅時(shí)的聲場(chǎng)分布情況。由于壓電陶瓷的振動(dòng)狀態(tài)與機(jī)電耦合相關(guān)，所以對(duì)壓電陶瓷建模時(shí)選用具有耦合屬性的SOLID5單元，后用PLANE223單元，混凝土環(huán)境則因?yàn)榫哂懈飨虍愋缘牟馁|(zhì)性能，無(wú)法利用有限元工具進(jìn)行準(zhǔn)確的應(yīng)力分布仿真，基于此考慮，選擇與混凝土密度、聲傳播速度相同的其他材質(zhì)代替實(shí)現(xiàn)模擬混凝土對(duì)壓電陶瓷進(jìn)行包裹。圖7為壓電陶瓷聲場(chǎng)仿真模型，有限元分析中網(wǎng)格劃分完畢后的圖形。通過(guò)聲場(chǎng)仿真，獲得壓電陶瓷輻射超聲波的聲壓云圖，也叫聲波速圖，所測(cè)聲壓值由不同的顏色來(lái)表示，單位是帕斯卡(Pa)。

圖7 壓電陶瓷聲場(chǎng)仿真模型的網(wǎng)格劃分圖

從表4中驗(yàn)證了壓電陶瓷的主要振動(dòng)方式為厚度方向振動(dòng)，但是也有一定的徑向振動(dòng)，也可以看出聲場(chǎng)呈對(duì)稱分布，徑向和厚度方向均會(huì)輻射聲場(chǎng)，隨著激勵(lì)頻率越大，徑向聲場(chǎng)輻射范圍:40.307 kHz較小，60.928 kHz、79.666 kHz、84.895 kHz基本相同，均是小范圍輻射聲場(chǎng);厚度方向聲場(chǎng)輻射范圍:40.307 kHz較小，60.928 kHz、79.666 kHz、84.895 kHz呈遞增趨勢(shì)，但是發(fā)現(xiàn)以79.666 kHz為電信號(hào)的激勵(lì)頻率時(shí)，聲場(chǎng)分布最集中，輻射產(chǎn)生的超聲信號(hào)最強(qiáng)，能夠使混凝土外側(cè)的壓電換能器更好地接收超聲信號(hào)。結(jié)合聲壓云圖分析可知79.666 kHz頻點(diǎn)處激勵(lì)埋入式壓電陶瓷輻射超聲波的聲振動(dòng)幅度最大、聲壓值最大，聲指向性最集中，則可產(chǎn)生的聲輻射能量最大，應(yīng)用于壓電埋入式混凝土無(wú)損檢測(cè)優(yōu)勢(shì)明顯。

表4 壓電陶瓷PZT－5H輻射超聲波的聲壓云圖

3 結(jié)論

文中建立了埋入混凝土中壓電陶瓷電－聲系統(tǒng)的研究模型，通過(guò)理論分析壓電陶瓷的簡(jiǎn)正頻率，并結(jié)合ANSYS對(duì)PZT－5H壓電陶瓷進(jìn)行模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析、聲壓云圖仿真，得出并驗(yàn)證了PZT－5H在多種振動(dòng)情況下的較優(yōu)諧振頻率點(diǎn)為79.666 kHz。通過(guò)有限元分析發(fā)現(xiàn)，利用信號(hào)發(fā)生器發(fā)射電信號(hào)激勵(lì)埋入混凝土中的壓電陶瓷，當(dāng)激勵(lì)頻率選擇較優(yōu)諧振頻率79.666 kHz時(shí)，輻射聲能量較強(qiáng)、聲場(chǎng)較集中，激勵(lì)而產(chǎn)生的振動(dòng)強(qiáng)度也較大，可在壓電埋入式混凝土健康檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中獲取更準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)信息。若采用壓電陶瓷的較優(yōu)諧振頻率點(diǎn)來(lái)進(jìn)行激勵(lì)，可得到較優(yōu)的聲波輻射圖，以便后期進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)的波形分析，為后期實(shí)現(xiàn)更理想的混凝土健康檢測(cè)結(jié)果打下理論基礎(chǔ)。

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劉麗(1989－)，女，四川崇州人，四川大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理、結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)，liuliddup @126.com;

陳雨(1976－)，男，1999年獲重慶大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院電廠專業(yè)學(xué)士學(xué)位，2002年獲重慶大學(xué)動(dòng)力工程學(xué)院動(dòng)力機(jī)械及系統(tǒng)專業(yè)碩士學(xué)位，2006年獲重慶大學(xué)光電工程學(xué)院儀器科學(xué)與技術(shù)專業(yè)博士學(xué)位，2006～2009年在重慶大學(xué)任教，2009年至今工作于四川大學(xué)電子信息學(xué)院，副教授職稱。主要研究方向?yàn)?結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)、混凝土壓電機(jī)敏結(jié)構(gòu)、壓電傳感器，ychen@scu.edu.cn。

基于ANSYS的埋入混凝土中壓電陶瓷諧振頻率分析*

劉麗，陳雨*，徐志龍，汪琴，趙愛榮
(四川大學(xué)電子信息學(xué)院，成都610065)

基于ANSYS研究壓電陶瓷(PZT－5H)的振動(dòng)模態(tài)，結(jié)合諧響應(yīng)算法得出壓電陶瓷3個(gè)不同區(qū)域的應(yīng)變－頻率曲線，并將壓電陶瓷和混凝土單元耦合，實(shí)現(xiàn)了壓電埋入式混凝土機(jī)敏模塊的電－聲系統(tǒng)聲壓云圖仿真，得到了不同激勵(lì)頻率下的最大聲壓和聲場(chǎng)分布。結(jié)果表明壓電陶瓷在20 kHz～100 kHz頻段內(nèi)有4個(gè)振幅極大值頻率點(diǎn)，隨著諧振頻率的增加，振幅逐漸增加，而振動(dòng)分布呈先集中后分散的變化趨勢(shì);通過(guò)諧響應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)壓電陶瓷聲輻射面不同區(qū)域最大應(yīng)變頻率均在80 kHz附近;由電－聲系統(tǒng)的聲場(chǎng)分析發(fā)現(xiàn)壓電陶瓷的激勵(lì)頻率為79.666 kHz時(shí)聲壓最大、聲場(chǎng)分布最優(yōu)、聲指向性集中。

壓電陶瓷;混凝土;諧振頻率;電－聲系統(tǒng)

O482.41

A

1004－1699(2014)01－0084－06

2013－11－10修改日期:2013－12－16

C:2860;7810C

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.01.016

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61174025);國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(50808186);重慶市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(CSTC，2008BB0155)