聚偏氟乙烯叉指的多波段瑞利波水下傳播特性

丁忠軍, 馮志亮, 孟德健, 李洪宇, 張奕, 李德威

(1.山東科技大學 海洋科學與工程學院, 山東 青島 266590; 2.國家深海基地管理中心, 山東 青島 266237; 3.哈爾濱工程大學 船舶工程學院, 黑龍江 哈爾濱 150006)

近年來,隨著我國海洋強國戰略的實施對海洋裝備需求日益增長,深海裝備更是占據了重要位置,但復雜多變的海洋環境尤其在是低溫高壓的深海環境下,海洋裝備結構的安全問題不容小覷。在這種環境下,海洋裝備一旦出現細微的缺陷,就可能導致結構失效甚至斷裂。從而出現不可挽回的財產損傷甚至是人員傷亡的事故。因此對海洋裝備進行在線的無損檢測是一項具有非常重要且具有實際工程意義的工作[1]。

目前,健康監測技術已經應用于多個領域。但對于深海裝備的研究案例較少,國內的楊華偉等[2]為監測深潛器耐壓結構的應力應變開發了以應變片作為傳感器的結構健康監測系統。而船舶及海洋平臺的健康監測技術應用的相對較多,Hjelme團隊[3]于 20世紀 90年代中期首次在船模上使用具有現代科技的光纖光柵傳感器[4-5]監測部分船體結構。白石等[6]采用PVDF薄膜作為傳感器檢測海洋平臺動態的應力應變。上述學者采用的傳感器均能達到理性效果,但存在著一些不足,如傳感器太復雜或對海洋裝備結構損傷不敏感。

針對上述問題,瑞利波技術無疑是解決海洋裝備結構損傷不敏感問題強有力的手段。深潛器、潛艇等深海設備的作業環境特殊,極端的深海作業條件要求設備內部結構復雜,對傳感器的體積及系統的要求苛刻。相比于其他表面波生成方法不同,IDT 的最大優勢在于其微型物理尺寸和將電信號轉換為機械振動的高效率[7],且IDT對裂紋和焊縫的檢測已有報道[8]。IDT的基底材料一般為壓電陶瓷(PZT)和PVDF壓電薄膜,壓電陶瓷的激勵強度和接收的靈敏度高于PVDF薄膜,但PVDF薄膜的質地柔軟可以長久粘接在曲面結構[9],由此本文開展了對PVDF叉指激勵不同波長的瑞利波水下傳播特性的研究。

1 IDT結構設計與制作

1.1 IDT結構

IDT可以設計為激發特定波長,通過調整叉指電極相鄰兩指之間的距離以匹配特定波長,傳感器成為模式選擇濾波器。

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

單面IDT的結構如圖1所示。它僅在壓電層的一側具有叉指電極,而另一側被接地板電極覆蓋。在這種情況下,需要3根電線將電信號連接到電極(2個相反的相位和接地)。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。這種設計簡化了電源(不需要反對稱信號源)并增加了生成波的幅度[10]。

圖2 雙面叉指換能器的結構

1.2 IDT傳感器的設計

本文從3個方面設計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的激勵頻率,頻率太高采集難度過大、頻率太低激勵的瑞利波波長太大對鈦合金板材的厚度要求較高,因此設計了波長為2～5 mm IDT。叉指的長度影響IDT聲場的發散角[11]。發散角公式為:

γ=arcsin(λ/L)

式中:γ為發散角;λ為波長;L為叉指的長度。

IDT的制作工藝絲網印刷、電場驅動噴射沉積、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叉指在結構物上的粘貼模型[13-15],圖3所示為IDT電極圖案參數。壓電層的厚度根據文獻[16]的研究選擇110 μm厚的PVDF薄膜。

圖3 IDT電極圖案參數

圖4 柔性PCB叉指的粘貼模型

2 瑞利波強度與水下傳播仿真

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之間的耦合。本文通過COMSOL軟件分析水下環境的影響,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為結構加速度;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結構上的載荷。

可知隨著流體的密度的增加結構加速度引起的聲壓級變化越大,因此固-液界面的瑞利波傳播不能僅僅考慮發散角,瑞利波聲能會擴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

為了簡化計算選擇在二維空間模型下對叉指換能器建模,2個叉指換能器以收發分置的方式布置在厚度為10 mm的鈦合金板上(如圖5(a)),對2～5 mm波長的IDT進行仿真,激勵信號為8周期正弦波信號(如圖5(b))。

圖5 叉指換能器布置模型和八周期正弦波信號

IDT的頻率可以通過橫波公式計算出橫波波速:

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算出瑞利波波速:

最后通過公式f=v/λ計算出IDT需要激勵的頻率。2～5 mm的IDT所需要激勵的頻率如表1所示,鈦合金板材的型號為TC4。

表1 叉指換能器參數

圖6為不同波長的在水下的衰減,傳播距離為58.5 mm。不同的波長衰減的程度不同即波長越大衰減越小,差異很大特別是2 mm和3 mm波長的衰減差異最大。仿真結果表明(如圖7所示),IDT在水下激勵瑞利波的強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;V1為水下信號。

2.3 瑞利波強度與激勵周期的關系

在進行無損檢測時,IDT的激勵時間過長、激勵和接收IDT之間的距離過近會導致激勵信號產生干擾信號,進而影響有效信號的采集。為此本文分析了瑞利波的強度與叉指對數及激勵周期的關系,在IDT不受激勵信號干擾的前提下增加瑞利波的強度。瑞利波在PVDF薄膜下傳播時,其上一個周期激勵的瑞利波會被這一個周期的信號加強,加強的次數和叉指的對數有關,因此在經過和叉指對數同等周期數的正弦波信號激勵之后,會有一個波長范圍的瑞利波強度達到最大,當最大強度的瑞利波信號能夠覆蓋接收IDT時,接收到最大的瑞利波信號,因此當激勵的周期大于等于激勵瑞利波的IDT的叉指對數與接收IDT的叉指對數之和時就可以使得接收的信號的峰峰值達到最大,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波長的IDT在不同激勵周期下接收到的信號強度。IDT的布置不變,改變激勵信號的周期數,從圖8中得出2 mm波長的IDT接收的信號的強度和激勵周期的關系。2 mm的IDT的叉指對數為11對。當周期數為22時信號達到最大。

圖8 不同激勵周期下2 mm-IDT的信號強度

與2 mm波長IDT的布置與一樣,從圖9中得出5 mm波長的IDT接收的信號的強度和激勵周期的關系。5 mm的IDT的叉指對數為5對。當周期數為10時信號達到最大。

圖9 不同激勵周期下5 mm-IDT的信號強度

本文通過仿真分析,得出了瑞利波強度與叉指對數及激勵周期的關系。

3 實驗與結果分析

3.1 實驗系統組成

實驗系統可分為激勵部分和接收放大部分,激勵原理與單面叉指換能器一致,激勵部分為信號發生器提供8個周期的兩通道相位差為180°正弦波信號[17],由2個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。對于接收部分,接收IDT的信號通過儀表放大器及OP37放大濾波電路放大,由示波器采集。圖10為實驗系統示意圖。

圖10 實驗系統示意

3.2 2 mm和4 mm波長的IDT的水下傳播的衰減

選擇2 mm和4 mm波長的柔性PCB叉指換能器,進行液-固界面和氣-固界面瑞利波傳播特性對比試驗,驗證COMSOL仿真結果。

65 mm間距下2種環境下的信號如圖11所示。2 mm波長的IDT的信號如圖12(a)和(b)所示。從圖12中可以看出,空氣中的瑞利波信號的幅值為1.9 V,2 mm波長水下信號的幅值分別為0.185、0.17和0.18 V,信號的衰減在20.4 dB附近比仿真數據大,其原因為仿真時IDT的間距為58.5 mm,而在實際中IDT的間距在65 mm左右,實際得到的衰減要比在仿真的衰減大,為此對COMSOL軟件重新建模,將叉指換能器的間距改為65 mm,水下信號的峰峰值為3.6 mV,空氣中信號的峰峰值為40 mV,衰減為20.9 dB與實際20.4 dB接近誤差為2.4%。

圖11 65 mm間距下2種環境下的信號

圖12 2種環境下的2和4 mm波長的實驗信號

4 mm波長的IDT實驗結果如圖12(b)所示,實驗得到的衰減為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的實驗一樣。但又因為波長大衰減小的原因實驗與仿真結果的差異沒有2 mm的大。

3.3 結果分析

經過實驗驗證COMSOL仿真的結果是可靠的,瑞利波波長越大,其水下衰減越小,尤其在波長2 mm和3 mm時的衰減差異最大。但是實驗采集得到的2 mm和5 mm波長的IDT信號,出現了2個波形,與空氣中的波形不一致。

為此分析第2個波形產生的原因從圖13發現,IDT在激勵瑞利波時不僅在固體域中產生彈性波,還在水域產生聲波,且瑞利波波速大于水聲波速,這也是導致圖12(b)和(d)中出現2個聲波信號的原因。

圖13 水聲激勵示意

4 結論

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

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

3)通過COMSOL仿真得到IDT激勵聲波強度和激勵周期的關系即當IDT激勵的周期不小于激勵瑞利波的IDT的叉指對數與接收IDT的叉指對數之和時,接收的信號的峰峰值達到最大。