背襯對埋入混凝土中壓電陶瓷激勵聲能的影響*

譚 斌，陳 雨*，黃 潤，李鵬程，陳 浩

(1.四川大學電子信息學院，成都 610064;2.重慶大學光電工程學院光電技術及系統教育部重點實驗室，重慶 400044)

混凝土是現代工程中最重要的建筑材料之一。由于各種原因，混凝土在澆筑和使用過程中，其內部會產生不同程度的缺陷，從而影響了混凝土的力學性質，給工程安全帶來了隱患，因此，有必要采取有效的手段對混凝土建筑結構的健康狀況進行檢測［1－2］。超聲無損檢測是混凝土結構健康狀況檢測的主要方法。重慶大學對埋入混凝土中壓電陶瓷的特性進行了研究，提出通過埋入的壓電陶瓷激勵聲信號用以檢測混凝土內部健康狀況的方法［3－4］。在這種方法中，埋入混凝土中的壓電陶瓷圓片在厚度振動模態下輻射的聲波，被垂直于混凝土表面的壓電換能器所接收，通過分析聲信號可以判斷混凝土內部的健康狀態。由于壓電陶瓷埋入混凝土后，其電－聲特性受到混凝土凝固收縮的影響，使得壓電陶瓷聲激勵效率降低，采集到的聲信號微弱、信噪比低，且在激勵、傳輸、檢測過程還容易受到噪聲的干擾，這些噪聲會對數據分析以及檢測結果的準確性產生影響，因此，提高聲激勵效率和聲信號的信噪比對提高超聲無損檢測的準確性和可靠性起著至關重要的作用［5－6］。本文提出了一種在壓電陶瓷圓片一側用硅橡膠層合金屬背襯的方法，該方法將壓電陶瓷雙側的聲能集中到一側從而充分利用聲信號能量提高聲激勵效率，介紹了聲波在雙層介質分界面上的傳播特性，然后設計了埋入混凝土中壓電陶瓷的背襯結構。實驗表明，聲信號能量的相對增量與背襯厚度和聲信號激勵頻率相關，并通過高斯曲線擬合得到了兩者之間的關系，即在埋入條件下，接收端聲信號能量相對增量隨背襯厚度與聲激勵頻率之積變化的特性曲線，并得出了在壓電陶瓷諧振點使得接收端聲信號能量取最大值的最優背襯厚度。同時，對聲信號進行功率譜分析還表明，背襯沒有改變聲信號功率譜主峰區間的頻率帶寬以及壓電陶瓷的諧振頻率。

1 聲波在雙介質分界面的傳播特性

壓電陶瓷與金屬背襯層合后成為一種雙層介質的壓電陶瓷單元，聲波在雙層介質中傳播時表現出與在均勻介質中傳播時不同的特性，如圖1所示。

圖1 聲波在雙介質分界面上的反射和透射

當聲波在聲阻抗為Z1的均勻介質中傳播遇到聲阻抗為Z2均勻介質時，會在兩介質的分界面上發生反射和透射，θr為入射角和θd為折射角，這樣，兩介質中聲壓的反射系數和透射系數如下表示:

可見，聲波在兩介質的分界面上的反射系數R和透射系數D取決于兩介質的聲阻抗Z1和Z2以及入射角θr和折射角θd的大小，即反射回波的強度取決于界面兩側介質的聲阻抗和聲波入射角以及折射角的大小［7－8］。因此，利用壓電陶瓷和金屬背襯的分界面上聲波的反射可將壓電陶瓷圓片厚度模式下雙側的聲信號集中到同一側，從而提高聲信號的指向性增強壓電陶瓷另一側聲波的能量。

2 實驗樣品和原理

本文研究了與金屬背襯層合的PZT5H壓電陶瓷埋入混凝土后對接收端聲信號能量和聲信號指向性的影響，對比了在4種不同厚度的金屬背襯(0 mm，1.2 mm，2.4 mm，3.6 mm)作用下，接收端聲信號能量和聲信號指向性的變化規律。埋入混凝土中作為聲源的壓電陶瓷采用圓片結構，其振動模式為厚度振動模式，在壓電陶瓷圓片上下端面上各鍍有一層銀電極。壓電陶瓷圓片的厚度為2 mm，半徑為12 mm，其結構如圖2(a)所示。在壓電陶瓷圓片的兩極焊接同軸電纜作為信號線，并在其表面覆蓋一層的硅橡膠層并與金屬背襯層合，從而制作成壓電陶瓷單元，其實物圖如圖2(b)所示。

圖2 壓電陶瓷圓片的背襯結構

PZT5H壓電陶瓷具有較高的壓電常數、彈性系數及介電常數，有利于在埋入條件下壓電陶瓷輻射更強的聲信號，該壓電陶瓷的出廠參數如表1所示［9］。

表1 PZT5H壓電陶瓷性能參數

壓電陶瓷是一種脆性的物質，為了避免埋入混凝土中壓電陶瓷在混凝土干縮效應產生的應力作用下受到損傷，壓電陶瓷和金屬背襯的外圍均覆蓋了一層厚度約為1.2 mm硅橡膠(單組分室溫硫化硅橡膠)，橡膠層不僅能夠保護壓電陶瓷和減小混凝土夾持力對其的影響，同時還起到聲阻抗匹配的作用［10－11］。壓電陶瓷圓片的尺寸為 φ25 mm×2 mm，金屬背襯圓片的尺寸為φ25 mm×1.2 mm。

如圖3所示，壓電陶瓷單元埋入在混凝土立方塊中心位置，混凝土立方塊的尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。實驗原理如圖4所示，在壓電陶瓷上通過同軸電纜接一聲激勵信號(正弦脈沖電壓)驅動壓電陶瓷的兩側輻射聲波，經混凝土傳播后被換能器接收。且金屬背襯能將壓電陶瓷一側的聲波反射到另一側能夠提高聲信號指向性，從而達到充分利用聲信號能量提高聲激勵效率的目的。

圖4 實驗原理框圖

3 聲信號能量和聲指向性實驗及分析

在聲信號能量實驗中，埋入混凝土中壓電陶瓷圓片厚度振動模式下聲激勵(正弦脈沖)頻率以2 kHz的間隔從20 kHz到500 kHz變化，埋入混凝土中的壓電陶瓷圓片在厚度方向上振動輻射聲波，經混凝土傳播后，在壓電陶瓷圓片軸向方向上被垂直于混凝土表面的壓電換能器所接收，通過計算可得在不同發射頻率的聲激勵信號下接收端聲信號的能量，改變背襯厚度進行相同的實驗可以得到圖5所示的特性曲線，即接收端聲信號能量的歸一化值隨聲激勵頻率變化的特性曲線。

圖5 聲信號能量實驗中聲能的歸一化頻率特性曲線

在聲指向性實驗中，在離壓電敏感元件5 cm處端面內布置了7 個測點(L1，L2，L3，O，R1，R2，R3)，測試點位置的分布如圖6(a)所示，并根據圓盤活塞聲場指向性函數的定義計算并繪制了當激勵頻率f為79 kHz在不同厚度背襯下聲指向性對比曲線如圖6(b)所示。

圖6 聲指向性實驗中測試點位置和聲指向性的對比

由圖5可知，相比于不層合背襯的情況下，對埋入混凝土中的壓電陶瓷層合背襯后，接收端聲信號能量增大，且當聲激勵頻率為壓電陶瓷的諧振頻率(約為79 kHz)時，接收端聲信號能量取極大值。同時，層合2片金屬背襯時接收端聲信號的能量最大，此時的背襯厚度為諧振點下的最優背襯厚度(即當聲激勵頻率一定時，使得接收端聲信號能量取最大值的背襯厚度)，其值為2.4 mm。當減小或增加背襯厚度時，相同聲激勵頻率下，聲信號的能量反而減小，可見，最優的背襯厚度同聲激勵頻率相關。并且，壓電陶瓷的諧振頻率(79 kHz)不會因為埋入混凝土中而發生改變，即應力的變化不會影響壓電陶瓷的諧振點，文獻［12］也得出了相同的結論。

由圖6(b)可知，相比于不層合背襯的情況，當埋入混凝土中的壓電陶瓷層合背襯后，聲指向性更加集中，在實驗中還發現，隨著聲激勵頻率不斷的增大，聲指向性有所提高，即聲信號的能量分布更加集中，并且聲輻射平面最大振幅區域都集中在中心位置。結合圖5和圖6可知，背襯將壓電陶瓷輻射一側的聲能反射到另一側，且聲信號的指向性也有所提高，使得原來向壓電陶瓷圓片兩側不同方向傳播的聲波由于背襯的反射而在同一側疊加，從而提高了聲信號激勵的效率，增大了單側聲信號的能量，并且聲信號能量的相對增量(層合背襯前后聲能之差與無背襯時聲能的比值)是隨背襯厚度和聲激勵頻率變化的。同時，通過對實驗和計算所得數據進行高斯擬合可得聲信號能量的相對增量隨背襯厚度與聲激勵頻率的乘積d×f變化的特性曲線，如圖7所示。

圖7 聲信號能量的相對增量隨背襯厚度與激勵頻率之積d×f變化的特性曲線

4 聲信號的功率譜分析

功率譜分析可以有效的研究信號在頻域上的特征以及提取有用的信號成分［13］。從聲信號能量的歸一化頻率特性曲線可知，最優背襯厚度同聲激勵頻率相關，對接收端聲信號去噪后進行功率譜分析如圖8所示，可以進一步觀察在埋入混凝土中的壓電陶瓷層合背襯后接收端聲信號能量變化的規律和其在頻域上的特征。

從圖8(a)可知，當聲激勵頻率f為33.5 kHz，壓電陶瓷層合1塊背襯時(即d×f=40.2)，聲信號能量的相對增量取極大值10.43，但此時的聲信號能量并不是最大值，因為聲激勵頻率并不是壓電陶瓷的諧振頻率。由前文已知，當聲激勵頻率為壓電陶瓷諧振頻率點79 kHz時，最優背襯厚度約為2.4 mm，此時，聲信號能量的相對增量只有3.326 8。

從圖8(b)可知，當聲激勵頻率f為47.8 kHz，壓電陶瓷層合2塊背襯時(即d×f=114.72)，聲信號能量的相對增量取極大值8.736 7，分別大于當聲激勵頻率為47.8 kHz，壓電陶瓷不層合背襯，層合1塊背襯，層合3 塊背襯時(即d×f=0，57.36 和172.08)，聲信號能量的相對增量0，6.952 1 和0.563 8。

從圖8(c)可知，當聲激勵頻率f為79 kHz，壓電陶瓷層合2塊背襯時(即d×f=189.6)，聲信號能量的相對增量取極大值3.326 8，分別大于當聲激勵頻率為79 kHz，壓電陶瓷不層合背襯，層合1塊背襯，層合3 塊背襯(即d×f=0，94.8 和284.4)時，聲信號能量的相對增量的值0，1.066 4和1.531 2。同時，結合圖8(a)和圖8(b)可知，聲信號能量大其聲信號能量的相對增量并不一定大，且背襯沒有改變聲信號功率譜的主頻和主峰區間的頻率帶寬。

圖8 不同厚度背襯下聲信號的歸一化功率譜對比圖

圖7表明聲信號能量的相對增量是由d×f決定的，結合前文的聲信號能量的歸一化頻率特性曲線可知，聲信號的能量與聲信號能量的相對增量并不成線性關系，聲信號的能量大其聲能量的相對增量并不一定大，為提高聲信號的信噪比應同時考慮金屬背襯厚度d和聲激勵頻率f對聲信號能量的影響，選擇適當的d和f。

5 結論

超聲無損檢測是混凝土結構健康檢測中廣泛使用的方法，在埋入條件下，由于壓電陶瓷的電－聲特性受到混凝土凝固收縮的影響，使得壓電陶瓷聲激勵效率降低，且容易受到噪聲的干擾。本文提出了一種用金屬背襯將壓電陶瓷圓片厚度模式下雙側的聲信號集中到同一側，從而提高聲信號的指向性增強壓電陶瓷另一側聲波能量的方法，并利用信號處理技術對接收端聲信號進行譜分析可以得出以下結論:

(1)在埋入混凝土中的壓電陶瓷圓片的一側層合金屬背襯層后，可以有效的將壓電陶瓷雙側聲能集中到一側，從而充分利用聲能提高接收端聲信號的信噪比，且沒有改變聲信號功率譜主峰區間的頻率帶寬以及壓電陶瓷的諧振頻率，這對于超聲無損檢測具有重要的實際意義。

(2)接收端聲信號能量的大小與背襯厚度和聲激勵頻率相關，實驗表明，當聲激勵頻率為79 kHz(壓電陶瓷的諧振頻率)時，最優背襯厚度約為2.4 mm。

(3)聲信號的能量與聲信號能量的相對增量并不成線性關系，要提高接收端聲信號的信噪比應同時考慮金屬背襯厚度d和聲激勵頻率f對聲信號能量的影響，選擇適當的背襯厚度d和聲激勵頻率f。

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