史昀禎, 程思閎, 任瀚文, 高浩予, 綦天潤(rùn), 李慶民

(新能源電力系統(tǒng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(華北電力大學(xué)), 北京 102206)

1 引言

隨著電力系統(tǒng)運(yùn)行電壓和容量的不斷提高,新能源化電力網(wǎng)絡(luò)屬性對(duì)輸變電裝備絕緣設(shè)計(jì)提出了空前挑戰(zhàn)[1],特別是高頻電力變壓器、氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備等新型電力系統(tǒng)裝備中存在的絕緣問(wèn)題[2],直接影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。其中,絕緣材料性能劣化與失效的主要原因在于直流高壓下的空間電荷積聚極易造成局部電場(chǎng)畸變,尤其在高頻電力變壓器等存在絕緣復(fù)合結(jié)構(gòu)的高壓電器裝備中,材料界面處電荷積聚問(wèn)題最嚴(yán)重,是整個(gè)絕緣系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)[3-5]。因此,研究多層電介質(zhì)空間電荷分布與積聚機(jī)理具有重要的意義。

電聲脈沖法(Pulsed Electro-Acoustic,PEA)由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、硬件要求較低、電氣安全性較高等特點(diǎn),相對(duì)于其他測(cè)量方法得到了更廣泛的應(yīng)用[6,7]。針對(duì)電聲脈沖法下單層介質(zhì)空間電荷測(cè)量結(jié)果的仿真分析與評(píng)估方法已較為完善[8],但針對(duì)多層介質(zhì)測(cè)量情況,仍有許多問(wèn)題需要解決。相較于單層介質(zhì)情況,多層介質(zhì)測(cè)量同時(shí)受多界面聲波產(chǎn)生及反射、介電常數(shù)不連續(xù)、厚度不相同等多重因素影響,分析過(guò)程更為復(fù)雜。此外,在開(kāi)展仿真模擬時(shí),以往研究均假設(shè)半導(dǎo)電電極部分與被測(cè)試樣、壓電傳感及背襯吸聲部分的聲阻抗基本相等,以消除聲波反射對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響[9-11],但實(shí)際測(cè)量過(guò)程中采用的電極與試樣等材料的聲阻抗并不能完全匹配[12,13]。傳統(tǒng)基于雙極性載流子模型的空間電荷仿真方法,只能模擬電荷積聚的動(dòng)態(tài)過(guò)程[14,15],無(wú)法分析反射聲波、材料參數(shù)等對(duì)測(cè)量系統(tǒng)本身的影響。因此,有學(xué)者使用Comsol有限元仿真手段,對(duì)多層介質(zhì)聲波界面反射開(kāi)展了初步研究[16],但并未考慮聲波傳播衰減、多層介質(zhì)厚度變化與聲阻抗匹配程度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,導(dǎo)致其模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果存在較大差異。因此,亟需建立適用于多層介質(zhì)下的電聲脈沖法測(cè)量仿真模型,分析聲阻抗匹配程度等對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,以支撐多層介質(zhì)測(cè)量結(jié)果分析與實(shí)際系統(tǒng)的性能評(píng)估。

圍繞上述問(wèn)題,本文分析研究了PEA測(cè)試時(shí)的信號(hào)傳遞和基本傳輸線系統(tǒng)中信號(hào)傳播的相似性,據(jù)此提出了PEA系統(tǒng)的等效表征原理。進(jìn)一步利用實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果比較,驗(yàn)證了傳輸線模型的可靠性?；谒鶚?gòu)建模型,針對(duì)雙層介質(zhì)的不同厚度、多層介質(zhì)的不同層數(shù)以及聲阻抗的匹配程度開(kāi)展了仿真模擬,研究結(jié)果可為多層介質(zhì)空間電荷測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確分析提供理論基礎(chǔ)。

2 電聲脈沖法聲波傳播的等效傳輸線型

電聲脈沖法測(cè)量空間電荷時(shí),電脈沖會(huì)擾動(dòng)試樣中的空間電荷,使其產(chǎn)生聲波,包含電荷信息的聲波傳播到壓電傳感器的過(guò)程中,會(huì)經(jīng)過(guò)不同材料的衰減以及不同介質(zhì)之間的透射反射,傳播過(guò)程較為復(fù)雜。因此,構(gòu)建聲波傳播過(guò)程的等效傳輸線模型是研究多層介質(zhì)電荷分布機(jī)理的必要基礎(chǔ)。

2.1 聲波傳播與傳輸線電壓波傳播的等效原理

本文擬使用電壓和電流、聲波壓強(qiáng)和聲速的等價(jià)關(guān)系,以對(duì)波在電傳輸線和聲學(xué)介質(zhì)的傳播過(guò)程進(jìn)行等效化處理。在傳輸線中,兩個(gè)導(dǎo)體之間電位差和電流的相互作用可表示為[17]:

(1)

(2)

式中,衰減常數(shù)α為電壓或電流經(jīng)單位長(zhǎng)度的傳輸線后振幅減小的常數(shù);相位常數(shù)β為單位長(zhǎng)度上電壓或電流相位的變化量;傳輸線的單位電阻、電導(dǎo)、電感和電容則由R、G、L、C來(lái)表征。

聲波在介質(zhì)中傳播的方程滿足如下關(guān)系[18]:

(3)

式中,p(x,t)為聲波壓強(qiáng);v(x,t)為介質(zhì)中聲波的傳播速度;kc為由衰減常數(shù)αc和波數(shù)組成的復(fù)數(shù),與式(1)中的傳播常數(shù)γ類似。

結(jié)合式(1)與式(3),PEA系統(tǒng)與傳輸線模型中的信號(hào)傳播表征公式相似,即說(shuō)明信號(hào)傳播過(guò)程相同,由此可進(jìn)一步推導(dǎo)得到式(4)給出的兩個(gè)模型中關(guān)鍵參量等效關(guān)系[19]。由式(4)可知,PEA系統(tǒng)中的聲波傳播過(guò)程與特性,可以等效為傳輸線中的電壓電流傳輸。

(4)

式中,ρ為材料密度;A為聲波傳播橫截面積;αv和αtc分別為由粘性損耗和熱傳導(dǎo)引起的衰減系數(shù)。

2.2 PEA中聲波傳播過(guò)程的等效傳輸線模型

圖1給出了PEA的基本系統(tǒng)組成。測(cè)量過(guò)程中,外施高壓引發(fā)試樣電極界面和內(nèi)部電荷振動(dòng)發(fā)出聲波,進(jìn)一步朝傳感部分和上電極側(cè)傳輸,同時(shí)發(fā)生界面透射和反射行為,其基本關(guān)系如式(5)所示[20]。

圖1 PEA法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure of PEA method

(5)

根據(jù)聲波與電壓電流波等效關(guān)系,對(duì)聲波傳播過(guò)程進(jìn)行等效化處理。在此之前,需進(jìn)行一定的假設(shè):①電荷振動(dòng)產(chǎn)生的聲波與激勵(lì)波形相似;②積聚電荷產(chǎn)生的聲波僅沿試樣厚度方向傳輸;③不同聲波的相遇疊加具有線性[21]。基于前文等效關(guān)系與上述假設(shè),構(gòu)建聲波傳播全過(guò)程傳輸線模型,如圖2所示。其中,核心模塊Z4為壓電傳感器聲阻抗,其等效原理如圖3所示,由壓電傳感器獲得的測(cè)量結(jié)果,即為PEA測(cè)試結(jié)果[22]。同時(shí),鑒于實(shí)際測(cè)量過(guò)程中試樣界面會(huì)積聚大量感應(yīng)電荷,分別在試樣兩端設(shè)置雙指數(shù)電源進(jìn)行等效。這里采用的雙指數(shù)電源為串聯(lián)形式,主要是因?yàn)?根據(jù)聲波產(chǎn)生與傳播原理,在兩介質(zhì)之間的界面處,聲波產(chǎn)生后會(huì)向兩側(cè)介質(zhì)中傳播,且在不同介質(zhì)中傳播聲波的大小與介質(zhì)的聲阻抗成正比,采用雙指數(shù)電壓源串聯(lián)形式,電壓波也會(huì)分別向兩側(cè)傳播,且不同介質(zhì)中電壓波的大小與介質(zhì)的特征阻抗成正比,因此電壓源串聯(lián)后,電壓波的傳播與不同界面處聲波的傳播具有相似性,可以進(jìn)行等效。而電壓源采用并聯(lián)形式,雖然電壓波也會(huì)向兩個(gè)方向傳播,但是不會(huì)經(jīng)過(guò)與電壓源并聯(lián)的材料,這與電聲脈沖法測(cè)量系統(tǒng)中聲波的傳播過(guò)程不相符。此外,在模型首末兩側(cè)設(shè)置與相鄰模塊相等聲阻抗的集中參數(shù)元件Z6和Z0,以保證聲波在兩側(cè)不會(huì)出現(xiàn)反射問(wèn)題,方便后續(xù)研究討論。

圖2 PEA中聲波傳播的等效表征Fig.2 Equivalent characterization of acoustic propagation inside the PEA system

圖3 傳感部分的等效表征Fig.3 Equivalent characterization of transducer part

針對(duì)圖2所示的等效模型,材料密度、聲速和衰減系數(shù)等參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1,衰減系數(shù)的設(shè)定主要來(lái)源于文獻(xiàn)[23]中的材料參數(shù)與文獻(xiàn)[19]的衰減系數(shù)計(jì)算方法,可以較為準(zhǔn)確地反映聲波傳播的衰減過(guò)程。其中,PVDF指聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride),為壓電傳感器材料。

表1 各個(gè)模塊的聲學(xué)參數(shù)Tab.1 Acoustic values of different parts

鑒于PEA中所采用鋁電極直徑通常為10 mm,結(jié)合表1中材料基本參數(shù),計(jì)算獲得傳輸線模型各元器件電阻、電感和電容參數(shù)見(jiàn)表2。由于仿真過(guò)程中對(duì)熱傳導(dǎo)所引起的衰減進(jìn)行了忽略,因此,設(shè)定不同材料的電導(dǎo)為零。此外,認(rèn)為試樣和半導(dǎo)電電極、傳感和吸聲部分聲阻抗分別相等,以方便后續(xù)研究分析。需說(shuō)明,單層介質(zhì)模擬使用試樣為試樣1,多層介質(zhì)仿真中所使用試樣將在各節(jié)中另做說(shuō)明。

表2 等效表征模型的基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of equivalent model

3 等效傳輸線模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與聲波傳輸特性分析

3.1 等效模型的可靠性驗(yàn)證

本文擬通過(guò)實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果比對(duì),對(duì)等效模型可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。PEA系統(tǒng)中,脈沖源輸出激勵(lì)脈寬為5 ns、最大輸出幅值為600 V、被測(cè)試樣厚度為250 μm、壓電傳感器選用厚度為10 μm的PVDF薄膜,仿真模擬參數(shù)設(shè)置與實(shí)驗(yàn)測(cè)試所用電極和試樣的基本參數(shù)均保持一致,具體見(jiàn)表1。仿真模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試的電聲脈沖波形結(jié)果如圖4所示。

圖4 仿真模擬與實(shí)驗(yàn)測(cè)試波形對(duì)比Fig.4 Comparison of simulation and experimental results

由圖4可得,實(shí)驗(yàn)與仿真獲得的上下電極界面處產(chǎn)生的電壓脈沖具有較高的一致性,同時(shí),試樣內(nèi)部電壓波形變化也呈現(xiàn)相同趨勢(shì)。因此可得,所構(gòu)建等效傳輸線模型具備一定的等效性,可用來(lái)模擬聲波在PEA測(cè)試系統(tǒng)中的傳播過(guò)程。其中,試樣范圍內(nèi)電壓波形的微小差異主要源于實(shí)際測(cè)試過(guò)程中試樣內(nèi)部積聚了少量空間電荷,而仿真中設(shè)定試樣內(nèi)部無(wú)空間電荷積聚。下文在使用該模型分析多層介質(zhì)時(shí),會(huì)進(jìn)一步結(jié)合聲波的傳播過(guò)程對(duì)模型可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2 多層介質(zhì)中材料厚度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

雙層介質(zhì)試樣中,由于兩個(gè)介質(zhì)材料的聲阻抗不同,因而聲波傳播經(jīng)過(guò)界面處時(shí)會(huì)發(fā)生透射和反射現(xiàn)象,以下針對(duì)雙層介質(zhì)中聲波的傳播過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的分析和討論。

假定雙層介質(zhì)試樣分別選擇表2所示的試樣1與試樣2,厚度分別設(shè)置0.2 mm、0.1 mm,結(jié)合表1中各個(gè)模塊的基本聲學(xué)參量進(jìn)行計(jì)算,可以得到圖5所示的雙層試樣聲波傳播時(shí)間及過(guò)程。

圖5 聲波傳播的過(guò)程分析Fig.5 Process analysis of acoustic wave propagation

聲波通過(guò)每個(gè)模塊需要的時(shí)間已在圖5中標(biāo)明,同時(shí)標(biāo)注了信號(hào)①～③的傳播時(shí)間,分別代表PEA下電極信號(hào)傳至傳感器時(shí)與該信號(hào)到達(dá)傳感器時(shí)的時(shí)間差。進(jìn)一步,考慮到聲波傳播過(guò)程中的衰減與反射,本文將重點(diǎn)針對(duì)以下三個(gè)反射過(guò)程開(kāi)展分析:反射過(guò)程①:下電極界面產(chǎn)生的聲波在試樣1-試樣2界面處發(fā)生反射;反射過(guò)程②:試樣界面產(chǎn)生的聲波先后在下電極界面和試樣1-試樣2界面處發(fā)生兩次反射;反射過(guò)程③:下電極界面產(chǎn)生的聲波,在吸聲材料與傳感器不相鄰的界面處發(fā)生反射。如圖5所示,三個(gè)主要反射過(guò)程所對(duì)應(yīng)傳播時(shí)間分別為0.143 μs、0.213 μs和0.226 μs。

進(jìn)一步,基于所構(gòu)建等效傳輸線模型對(duì)雙層介質(zhì)聲波傳播過(guò)程開(kāi)展模擬,考慮到兩種試樣材料不同,其界面處由于介電特性差異同樣會(huì)產(chǎn)生聲波信號(hào)。為分析該界面聲波的影響,在兩個(gè)試樣間設(shè)置了一個(gè)雙指數(shù)電壓源。由此,雙層試樣下PEA測(cè)量信號(hào)模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 雙層試樣的仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of double-layer samples

根據(jù)上述結(jié)果,除試樣各個(gè)界面的電荷峰以外,在有效波形附近還存在三個(gè)波峰,圖6中給出了三者與上電極界面信號(hào)之間的間隔時(shí)間,這與理論分析中,雙層介質(zhì)聲波傳播過(guò)程所涉及的三個(gè)主要反射過(guò)程完全對(duì)應(yīng)。由此,進(jìn)一步驗(yàn)證了本文所構(gòu)建等效傳輸線模型在多層介質(zhì)情況下的仿真可靠性。

由于電聲脈沖法實(shí)際測(cè)量過(guò)程中,著重關(guān)注信號(hào)范圍為上下電極界面信號(hào)之間部分。由仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),反射過(guò)程①所產(chǎn)生信號(hào)處于有效信號(hào)范圍區(qū)間內(nèi),為消除該信號(hào)對(duì)電荷測(cè)量的影響,應(yīng)使該信號(hào)傳播時(shí)間大于上電極界面聲波傳播至傳感器的時(shí)間,即滿足聲波在試樣2傳播的時(shí)間大于在試樣1中傳播的時(shí)間,由此,雙層介質(zhì)中試樣厚度應(yīng)滿足式(6)所示要求:

(6)

式中,Len1、Len2分別為試樣1和試樣2的厚度;v1、v2分別為兩個(gè)試樣中的聲速。

基于式(6)分析,設(shè)置試樣2厚度為0.2 mm,以消除反射過(guò)程①對(duì)測(cè)量結(jié)果影響,模擬獲得PEA測(cè)量信號(hào)如圖7所示。

圖7 不同試樣厚度的仿真結(jié)果Fig.7 Simulation for different thicknesses of sample

由圖7可以發(fā)現(xiàn),更改試樣厚度后,反射信號(hào)①不在影響有效信號(hào)范圍內(nèi),但是由于試樣厚度增加使得有效信號(hào)的時(shí)間范圍增加,信號(hào)③同樣出現(xiàn)在有效信號(hào)范圍內(nèi),并疊加在了上電極側(cè)的界面信號(hào)上,因此,為防止反射信號(hào)③的干擾,提高測(cè)量準(zhǔn)確度,吸聲材料不僅要滿足良好的吸聲特性,厚度也應(yīng)滿足如下關(guān)系:

(7)

式中,Lenx、vx分別為吸聲材料的厚度和聲速。進(jìn)一步,基于式(7)分析,調(diào)整吸聲材料厚度為0.5 mm,以消除反射過(guò)程③對(duì)測(cè)量結(jié)果影響,模擬獲得PEA測(cè)量信號(hào)如圖8所示。

圖8 吸聲材料不同厚度的仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results for different thicknesses of sound-absorbing materials

由圖8可以發(fā)現(xiàn),改變吸聲材料的厚度,有效信號(hào)范圍內(nèi)不再存在反射信號(hào)的干擾。綜上所述,雙層試樣和背襯吸聲部分厚度需滿足式(8)基本關(guān)系,以消除聲波反射問(wèn)題對(duì)有效測(cè)量信號(hào)的影響。

(8)

3.3 多層介質(zhì)中層數(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

結(jié)合雙層介質(zhì)的仿真過(guò)程,本文以三層介質(zhì)為例,分析多層介質(zhì)中層數(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。假定三種介質(zhì)分別為表2中的試樣1、試樣2和試樣3,厚度依次為0.1 mm、0.1 mm和0.2 mm,其他元器件參數(shù)均保持不變,聲波在介質(zhì)中傳播過(guò)程如圖9所示。

圖9 三層試樣的聲波傳播過(guò)程Fig.9 Acoustic propagation process of triple-layer samples

如圖9所示,與雙層介質(zhì)情況類似,三層介質(zhì)中需重點(diǎn)關(guān)注反射過(guò)程④和反射過(guò)程⑤。反射過(guò)程④:下電極界面產(chǎn)生的聲波在試樣2-試樣3界面處發(fā)生反射。反射過(guò)程⑤:下電極界面產(chǎn)生的聲波在試樣1-試樣2界面處發(fā)生反射。可以發(fā)現(xiàn)無(wú)論三層介質(zhì)厚度和聲速如何設(shè)置,信號(hào)④或信號(hào)⑤始終都是所有反射聲波中時(shí)間最短的,是最有可能干擾到有效信息測(cè)量的反射雜波信號(hào),因此只需要同時(shí)保證信號(hào)④和信號(hào)⑤在有效時(shí)間段范圍之外,即可保證測(cè)量信號(hào)不受反射信號(hào)干擾。結(jié)合材料聲速和厚度進(jìn)行計(jì)算,其傳播時(shí)間分別為0.206 μs和0.245 μs。鑒于上電極界面聲波信號(hào)傳播時(shí)間為0.225 μs,反射過(guò)程④和⑤所產(chǎn)生聲波信號(hào)將依次在上電極界面聲波信號(hào)兩側(cè)分布。三層試樣下PEA測(cè)量信號(hào)模擬結(jié)果如圖10所示。

圖10 三層試樣的模擬波形Fig.10 Simulation waveforms of triple-layer samples

如圖10仿真結(jié)果所示,模擬結(jié)果中除包含試樣界面和上下電極界面處電荷電壓峰外,還出現(xiàn)了2個(gè)新的波峰,分布于上電極界面聲波信號(hào)左右兩側(cè),且在時(shí)間尺度上與反射過(guò)程④和反射過(guò)程⑤相對(duì)應(yīng),這與上文理論分析結(jié)果相對(duì)應(yīng)。同時(shí),由于反射過(guò)程④所產(chǎn)生信號(hào)處于有效信號(hào)范圍區(qū)間內(nèi),會(huì)對(duì)電荷測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生干擾,因此,為消除反射信號(hào)對(duì)有效信號(hào)的影響,結(jié)合2.1節(jié)雙層介質(zhì)中相關(guān)推論,得出PEA測(cè)量三層介質(zhì)時(shí)應(yīng)滿足如下要求:

(9)

由此,得出以下推論,當(dāng)多層介質(zhì)中層數(shù)為k時(shí),為消除反射信號(hào)的影響,應(yīng)滿足要求如式(10)所示。

(10)

式(10)中,第一個(gè)公式的物理意義為:第k個(gè)試樣界面產(chǎn)生聲波經(jīng)一次反射傳播到傳感器的時(shí)間大于上電極界面聲波信號(hào)傳播到傳感器的時(shí)間,即第k個(gè)試樣界面產(chǎn)生的聲波反射信號(hào)在有效信號(hào)范圍之外;第二個(gè)公式物理意義為:第一個(gè)到達(dá)傳感器的聲波信號(hào)在吸聲材料內(nèi)來(lái)回反射的時(shí)間大于上電極界面聲波信號(hào)直接傳播到傳感器的時(shí)間,即經(jīng)吸收材料反射的聲波信號(hào)在有效信號(hào)范圍外。綜上,當(dāng)試樣和吸聲材料的厚度滿足式(10)時(shí),可有效減少聲波反射對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

3.4 材料聲阻抗匹配特性的影響分析

應(yīng)用PEA測(cè)試時(shí),以往研究均認(rèn)為半導(dǎo)電電極部分與被測(cè)試樣、壓電傳感及背襯吸聲部分的聲阻抗完全相等,以消除聲波反射對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,但實(shí)際測(cè)量過(guò)程中無(wú)法做到完全匹配。因此,本文擬將所構(gòu)建模型中半導(dǎo)電電極(Z1)和背襯吸聲材料(Z5)的聲阻抗調(diào)整為原來(lái)的1.5倍,不改變?cè)嚇?(Z2)和傳感器(Z4)的聲阻抗,以此來(lái)研究聲阻抗不完全匹配對(duì)雙層介質(zhì)下電荷測(cè)量結(jié)果的影響,仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 兩種聲阻抗不匹配條件下的模擬波形Fig.11 Simulation waveforms under the two conditions with mismatched acoustic impedances

根據(jù)圖11中的模擬波形,當(dāng)半導(dǎo)電電極與相鄰試樣聲阻抗不匹配時(shí),上電極界面處的聲波幅值較阻抗匹配時(shí)稍有降低,試樣界面和下電極界面處的聲波幅值則不受影響。根據(jù)式(5)中的聲波產(chǎn)生系數(shù)計(jì)算公式可知,對(duì)于界面聲波向試樣方向傳播的分量來(lái)說(shuō),半導(dǎo)電電極聲阻抗與其產(chǎn)生系數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,因此,當(dāng)其他參數(shù)不變,僅增大半導(dǎo)電電極聲阻抗時(shí),產(chǎn)生系數(shù)減小,向試樣方向傳播的分量幅值變小,因而出現(xiàn)圖11所示的上電極界面處的聲波幅值降低的情況。

同時(shí),對(duì)比吸聲材料聲阻抗改變前后波形可發(fā)現(xiàn),當(dāng)傳感器與吸聲材料聲阻抗不匹配時(shí),三個(gè)界面處的聲波幅值雖然沒(méi)有變化,但其波形均發(fā)生了一定程度的展寬。究其原因,是因?yàn)樵趥鬏斁€模型中,壓電傳感器測(cè)量主要基于前后界面電壓差,當(dāng)傳感器與吸聲部分的聲阻抗存在差異時(shí),聲波在兩者界面處存在反射情況,使得聲波在傳感器中傳播時(shí)間變長(zhǎng),進(jìn)而影響了傳感器界面處電壓幅值,最終表現(xiàn)為波形的展寬。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)分析聲波傳播與電壓波傳輸?shù)牡刃?研究建立了針對(duì)PEA測(cè)量系統(tǒng)的聲波等效傳輸線模型,并通過(guò)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量波形的比較,對(duì)模型可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。

(2)基于所構(gòu)建傳輸線模型,開(kāi)展了多層介質(zhì)下的電荷測(cè)量仿真模擬,闡明了試樣及吸聲層厚度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,并基于此,進(jìn)一步提出了適用于多層介質(zhì)的電聲脈沖測(cè)量遴選標(biāo)準(zhǔn),即聲波在任意一層試樣中的傳播時(shí)間需大于聲波在該層試樣之前所有試樣中的傳播時(shí)間之和,同時(shí)聲波在吸聲材料內(nèi)部往返傳播時(shí)間應(yīng)大于其在所有試樣中的傳播時(shí)間總和。滿足以上條件可有效減少聲波反射對(duì)測(cè)量結(jié)果影響。

(3)通過(guò)調(diào)整電極、試樣等關(guān)鍵環(huán)節(jié)聲阻抗參量,針對(duì)聲阻抗匹配程度對(duì)電聲脈沖測(cè)量結(jié)果的影響作用開(kāi)展了仿真模擬。研究指出,若試樣與其相鄰半導(dǎo)電電極的聲阻抗不相等,將影響界面處的聲波產(chǎn)生系數(shù),進(jìn)而改變上電極界面?zhèn)鹊谋粶y(cè)信號(hào)幅值;若傳感器與吸聲部分的聲阻抗不相等,會(huì)導(dǎo)致所測(cè)結(jié)果中所有界面處電壓波形發(fā)生畸變,出現(xiàn)波形展寬和拖尾等情況。