意昂体育3工學院李法新課題組在無損檢測/結構健康監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，意昂体育3平台工學院李法新課題組在無損檢測（NDT）/結構健康監測（SHM）領域取得了突破性進展🚣🏽‍♀️，他們設計製備的面內剪切（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🪹，它的優勢在於能量衰減慢🧚🏻，適於長距離的缺陷檢測和監測🎀。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波易於激勵和接收，但它是頻散波↙️，傳播距離受限製⬅️，而且遇到邊界和缺陷會發生波型轉換，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，傳播過程中不易發生波型轉換🙆🏼，信號處理要簡單許多，但單模態的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製及信號處理方面。激勵出單模態的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於導體結構👱，由於是非接觸式，雖然在高溫等少數場合有優勢😩，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射裝置才能工作♧，其檢測距離受到限製，而且設備笨重無法用於結構健康監測（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的SH0波📂🐑，同時還可以有選擇性地接收SH0波。隨後課題組還發展了平面全指向性的SH0波換能器，並且采用指環形d24壓電陣列，在圓管中激勵出非頻散的單模態零階扭轉波T（0，1），目前這兩項工作都在投稿中🙎🏿‍♀️。這項工作（SMS2016）的重要意義在於提供了一種簡單可靠的方式來激勵SH0波，可以有力地推動基於SH0波的平板類結構的缺陷檢測與健康監測。同時由於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測中占據主導地位。

 

這項工作也引起了業內的廣泛關註和好評。在剛剛結束的第一屆軌道交通健康監測國際研討會上（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雜誌主編🍲、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）🌨。