丁忠軍, 馮志亮, 孟德健, 李洪宇, 張奕, 李德威

(1.山東科技大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院, 山東 青島 266590; 2.國(guó)家深?；毓芾碇行? 山東 青島 266237; 3.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150006)

近年來,隨著我國(guó)海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的實(shí)施對(duì)海洋裝備需求日益增長(zhǎng),深海裝備更是占據(jù)了重要位置,但復(fù)雜多變的海洋環(huán)境尤其在是低溫高壓的深海環(huán)境下,海洋裝備結(jié)構(gòu)的安全問題不容小覷。在這種環(huán)境下,海洋裝備一旦出現(xiàn)細(xì)微的缺陷,就可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效甚至斷裂。從而出現(xiàn)不可挽回的財(cái)產(chǎn)損傷甚至是人員傷亡的事故。因此對(duì)海洋裝備進(jìn)行在線的無損檢測(cè)是一項(xiàng)具有非常重要且具有實(shí)際工程意義的工作[1]。

目前,健康監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。但對(duì)于深海裝備的研究案例較少,國(guó)內(nèi)的楊華偉等[2]為監(jiān)測(cè)深潛器耐壓結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變開發(fā)了以應(yīng)變片作為傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。而船舶及海洋平臺(tái)的健康監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用的相對(duì)較多,Hjelme團(tuán)隊(duì)[3]于 20世紀(jì) 90年代中期首次在船模上使用具有現(xiàn)代科技的光纖光柵傳感器[4-5]監(jiān)測(cè)部分船體結(jié)構(gòu)。白石等[6]采用PVDF薄膜作為傳感器檢測(cè)海洋平臺(tái)動(dòng)態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變。上述學(xué)者采用的傳感器均能達(dá)到理性效果,但存在著一些不足,如傳感器太復(fù)雜或?qū)Ｑ笱b備結(jié)構(gòu)損傷不敏感。

針對(duì)上述問題,瑞利波技術(shù)無疑是解決海洋裝備結(jié)構(gòu)損傷不敏感問題強(qiáng)有力的手段。深潛器、潛艇等深海設(shè)備的作業(yè)環(huán)境特殊,極端的深海作業(yè)條件要求設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對(duì)傳感器的體積及系統(tǒng)的要求苛刻。相比于其他表面波生成方法不同,IDT 的最大優(yōu)勢(shì)在于其微型物理尺寸和將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)的高效率[7],且IDT對(duì)裂紋和焊縫的檢測(cè)已有報(bào)道[8]。IDT的基底材料一般為壓電陶瓷(PZT)和PVDF壓電薄膜,壓電陶瓷的激勵(lì)強(qiáng)度和接收的靈敏度高于PVDF薄膜,但PVDF薄膜的質(zhì)地柔軟可以長(zhǎng)久粘接在曲面結(jié)構(gòu)[9],由此本文開展了對(duì)PVDF叉指激勵(lì)不同波長(zhǎng)的瑞利波水下傳播特性的研究。

1 IDT結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作

1.1 IDT結(jié)構(gòu)

IDT可以設(shè)計(jì)為激發(fā)特定波長(zhǎng),通過調(diào)整叉指電極相鄰兩指之間的距離以匹配特定波長(zhǎng),傳感器成為模式選擇濾波器。

DT的典型結(jié)構(gòu)(圖1)由3層組成,頂部和底部電極層由壓電層隔開,根據(jù)電極圖案可以區(qū)分2種主要類型的 IDT 換能器:傳統(tǒng)的單面和雙面。

單面IDT的結(jié)構(gòu)如圖1所示。它僅在壓電層的一側(cè)具有叉指電極,而另一側(cè)被接地板電極覆蓋。在這種情況下,需要3根電線將電信號(hào)連接到電極(2個(gè)相反的相位和接地)。與雙面 IDT 中的單面 IDT 不同,如圖2所示,壓電基板的兩面都被叉指電極覆蓋。這種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了電源(不需要反對(duì)稱信號(hào)源)并增加了生成波的幅度[10]。

圖2 雙面叉指換能器的結(jié)構(gòu)

1.2 IDT傳感器的設(shè)計(jì)

本文從3個(gè)方面設(shè)計(jì)IDT:電極圖案、防水及壓電層厚度。首先是電極圖案本文選擇傳統(tǒng)IDT即電極寬度與電極間距相等。電極寬度和電極間距影響IDT的激勵(lì)頻率,頻率太高采集難度過大、頻率太低激勵(lì)的瑞利波波長(zhǎng)太大對(duì)鈦合金板材的厚度要求較高,因此設(shè)計(jì)了波長(zhǎng)為2～5 mm IDT。叉指的長(zhǎng)度影響IDT聲場(chǎng)的發(fā)散角[11]。發(fā)散角公式為:

γ=arcsin(λ/L)

式中:γ為發(fā)散角;λ為波長(zhǎng);L為叉指的長(zhǎng)度。

IDT的制作工藝絲網(wǎng)印刷、電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)噴射沉積、激光蝕刻[12]和柔性PCB制作但滿足防水要求的只有柔性PCB制作的IDT,圖4所示為柔性PCB叉指在結(jié)構(gòu)物上的粘貼模型[13-15],圖3所示為IDT電極圖案參數(shù)。壓電層的厚度根據(jù)文獻(xiàn)[16]的研究選擇110 μm厚的PVDF薄膜。

圖3 IDT電極圖案參數(shù)

圖4 柔性PCB叉指的粘貼模型

2 瑞利波強(qiáng)度與水下傳播仿真

2.1 聲波衰減分析

COMSOL軟件是目前比較流行的大型有限元分析軟件,能夠很好地處理物理場(chǎng)之間的耦合。本文通過COMSOL軟件分析水下環(huán)境的影響,選擇COMSOL聲固耦合模型中的聲與壓電相互耦合模塊。

液固耦合公式為:

FA=pt·n

式中:utt為結(jié)構(gòu)加速度;ρ為流體密度;n為表面法線方向;pt為總聲壓;qd為偶極源;FA結(jié)構(gòu)上的載荷。

可知隨著流體的密度的增加結(jié)構(gòu)加速度引起的聲壓級(jí)變化越大,因此固-液界面的瑞利波傳播不能僅僅考慮發(fā)散角,瑞利波聲能會(huì)擴(kuò)散到水域加快瑞利波的衰減。

2.2 多波段瑞利波水下傳播特性仿真

為了簡(jiǎn)化計(jì)算選擇在二維空間模型下對(duì)叉指換能器建模,2個(gè)叉指換能器以收發(fā)分置的方式布置在厚度為10 mm的鈦合金板上(如圖5(a)),對(duì)2～5 mm波長(zhǎng)的IDT進(jìn)行仿真,激勵(lì)信號(hào)為8周期正弦波信號(hào)(如圖5(b))。

圖5 叉指換能器布置模型和八周期正弦波信號(hào)

IDT的頻率可以通過橫波公式計(jì)算出橫波波速:

式中:vs為橫波波速;ρ為鈦合金密度;E為彈性模量;u為泊松比,然后由橫波波速可以計(jì)算出瑞利波波速:

最后通過公式f=v/λ計(jì)算出IDT需要激勵(lì)的頻率。2～5 mm的IDT所需要激勵(lì)的頻率如表1所示,鈦合金板材的型號(hào)為TC4。

表1 叉指換能器參數(shù)

圖6為不同波長(zhǎng)的在水下的衰減,傳播距離為58.5 mm。不同的波長(zhǎng)衰減的程度不同即波長(zhǎng)越大衰減越小,差異很大特別是2 mm和3 mm波長(zhǎng)的衰減差異最大。仿真結(jié)果表明(如圖7所示),IDT在水下激勵(lì)瑞利波的強(qiáng)度相比于空氣中存在很大的衰減。

圖6 多波段瑞利波水下衰減

衰減程度通過下列公式表示:

式中:α為瑞利波衰減單位為dB;V1為空氣中的信號(hào);V1為水下信號(hào)。

2.3 瑞利波強(qiáng)度與激勵(lì)周期的關(guān)系

在進(jìn)行無損檢測(cè)時(shí),IDT的激勵(lì)時(shí)間過長(zhǎng)、激勵(lì)和接收IDT之間的距離過近會(huì)導(dǎo)致激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生干擾信號(hào),進(jìn)而影響有效信號(hào)的采集。為此本文分析了瑞利波的強(qiáng)度與叉指對(duì)數(shù)及激勵(lì)周期的關(guān)系,在IDT不受激勵(lì)信號(hào)干擾的前提下增加瑞利波的強(qiáng)度。瑞利波在PVDF薄膜下傳播時(shí),其上一個(gè)周期激勵(lì)的瑞利波會(huì)被這一個(gè)周期的信號(hào)加強(qiáng),加強(qiáng)的次數(shù)和叉指的對(duì)數(shù)有關(guān),因此在經(jīng)過和叉指對(duì)數(shù)同等周期數(shù)的正弦波信號(hào)激勵(lì)之后,會(huì)有一個(gè)波長(zhǎng)范圍的瑞利波強(qiáng)度達(dá)到最大,當(dāng)最大強(qiáng)度的瑞利波信號(hào)能夠覆蓋接收IDT時(shí),接收到最大的瑞利波信號(hào),因此當(dāng)激勵(lì)的周期大于等于激勵(lì)瑞利波的IDT的叉指對(duì)數(shù)與接收IDT的叉指對(duì)數(shù)之和時(shí)就可以使得接收的信號(hào)的峰峰值達(dá)到最大,從而減少水下聲能衰減的影響。

本文通過COMSOL軟件分析2 mm及5 mm波長(zhǎng)的IDT在不同激勵(lì)周期下接收到的信號(hào)強(qiáng)度。IDT的布置不變,改變激勵(lì)信號(hào)的周期數(shù),從圖8中得出2 mm波長(zhǎng)的IDT接收的信號(hào)的強(qiáng)度和激勵(lì)周期的關(guān)系。2 mm的IDT的叉指對(duì)數(shù)為11對(duì)。當(dāng)周期數(shù)為22時(shí)信號(hào)達(dá)到最大。

圖8 不同激勵(lì)周期下2 mm-IDT的信號(hào)強(qiáng)度

與2 mm波長(zhǎng)IDT的布置與一樣,從圖9中得出5 mm波長(zhǎng)的IDT接收的信號(hào)的強(qiáng)度和激勵(lì)周期的關(guān)系。5 mm的IDT的叉指對(duì)數(shù)為5對(duì)。當(dāng)周期數(shù)為10時(shí)信號(hào)達(dá)到最大。

圖9 不同激勵(lì)周期下5 mm-IDT的信號(hào)強(qiáng)度

本文通過仿真分析,得出了瑞利波強(qiáng)度與叉指對(duì)數(shù)及激勵(lì)周期的關(guān)系。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可分為激勵(lì)部分和接收放大部分,激勵(lì)原理與單面叉指換能器一致,激勵(lì)部分為信號(hào)發(fā)生器提供8個(gè)周期的兩通道相位差為180°正弦波信號(hào)[17],由2個(gè)共地的單通道功率放大器放大,兩功率放大器與IDT的電極條連接。對(duì)于接收部分,接收IDT的信號(hào)通過儀表放大器及OP37放大濾波電路放大,由示波器采集。圖10為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。

圖10 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意

3.2 2 mm和4 mm波長(zhǎng)的IDT的水下傳播的衰減

選擇2 mm和4 mm波長(zhǎng)的柔性PCB叉指換能器,進(jìn)行液-固界面和氣-固界面瑞利波傳播特性對(duì)比試驗(yàn),驗(yàn)證COMSOL仿真結(jié)果。

65 mm間距下2種環(huán)境下的信號(hào)如圖11所示。2 mm波長(zhǎng)的IDT的信號(hào)如圖12(a)和(b)所示。從圖12中可以看出,空氣中的瑞利波信號(hào)的幅值為1.9 V,2 mm波長(zhǎng)水下信號(hào)的幅值分別為0.185、0.17和0.18 V,信號(hào)的衰減在20.4 dB附近比仿真數(shù)據(jù)大,其原因?yàn)榉抡鏁r(shí)IDT的間距為58.5 mm,而在實(shí)際中IDT的間距在65 mm左右,實(shí)際得到的衰減要比在仿真的衰減大,為此對(duì)COMSOL軟件重新建模,將叉指換能器的間距改為65 mm,水下信號(hào)的峰峰值為3.6 mV,空氣中信號(hào)的峰峰值為40 mV,衰減為20.9 dB與實(shí)際20.4 dB接近誤差為2.4%。

圖11 65 mm間距下2種環(huán)境下的信號(hào)

圖12 2種環(huán)境下的2和4 mm波長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)信號(hào)

4 mm波長(zhǎng)的IDT實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12(b)所示,實(shí)驗(yàn)得到的衰減為8.3 dB略大于仿真得到的7.6 dB,誤差為8.4%。造成衰減不同的原因與2 mm的實(shí)驗(yàn)一樣。但又因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)大衰減小的原因?qū)嶒?yàn)與仿真結(jié)果的差異沒有2 mm的大。

3.3 結(jié)果分析

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證COMSOL仿真的結(jié)果是可靠的,瑞利波波長(zhǎng)越大,其水下衰減越小,尤其在波長(zhǎng)2 mm和3 mm時(shí)的衰減差異最大。但是實(shí)驗(yàn)采集得到的2 mm和5 mm波長(zhǎng)的IDT信號(hào),出現(xiàn)了2個(gè)波形,與空氣中的波形不一致。

為此分析第2個(gè)波形產(chǎn)生的原因從圖13發(fā)現(xiàn),IDT在激勵(lì)瑞利波時(shí)不僅在固體域中產(chǎn)生彈性波,還在水域產(chǎn)生聲波,且瑞利波波速大于水聲波速,這也是導(dǎo)致圖12(b)和(d)中出現(xiàn)2個(gè)聲波信號(hào)的原因。

圖13 水聲激勵(lì)示意

4 結(jié)論

1)在水下環(huán)境中,PVDF叉指換能器激勵(lì)的瑞利波的傳播距離大大受限,但通過改變波長(zhǎng)可以減少水下的衰減;

2)叉指換能器在水下激勵(lì)瑞利波時(shí)還會(huì)在水域激勵(lì)聲波,但可以通過瑞利波和水聲聲波的速度差解決IDT激勵(lì)的水聲干擾的問題;

3)通過COMSOL仿真得到IDT激勵(lì)聲波強(qiáng)度和激勵(lì)周期的關(guān)系即當(dāng)IDT激勵(lì)的周期不小于激勵(lì)瑞利波的IDT的叉指對(duì)數(shù)與接收IDT的叉指對(duì)數(shù)之和時(shí),接收的信號(hào)的峰峰值達(dá)到最大。