SMS编辑优选：定向激励与接收水平剪切导波的超构换能器
文章介绍
Hongchen Miao（苗鸿臣） and Yuehao Du
通讯作者：
- 苗鸿臣，西南交通大学
研究背景：
在武侠小说中，武功高强之人能够利用内力控制音波的传播方向，使其发出的声音只能被特定的一个人或者几个人接收，而在场其他人无法知道对话内容，这种功夫叫“传音入密”。在超声无损检测和结构健康监测领域，沿特定方向激励单一成分的导波（即“传音入密”），可以有效减少非缺陷散射体引起的噪音信号，对缺陷信号的高效解析具有重要意义。当前超声导波的定向激励通常由二维相控阵来实现，然而相控阵方法对阵元之间的均一性要求高，且需要昂贵复杂的电路提供时间延迟。因此，本文拟通过器件设计，实现通过单一换能器定向激励和接收单模态导波的目的，克服传统相控阵方法对阵元均一性要求高和成本高的问题。
研究内容：
本文提出的超构换能器由压电晶片和人工超构层构成，如图1所示。压电晶片在电场激励下通过逆压电效应在超构层中形成类SH0波，超构层提供SH0波在板中沿特定方向传播所需要的相位梯度，从而实现板结构中SH0波的定向激励。根据波的互异性原理可知，该换能器作为传感器时亦具有指向性。
图1 超构换能器结构及工作原理
本文首先通过理论建模对换能器的声场进行了预测，并以此进行了参数优化设计。在此基础上，对设计的超构换能器的性能进行了有限元仿真和实验测试验证，结果如图2和图3所示。结果表明，作为发射器时，该换能器能够在宽频范围内（270kHz-350kHz）沿单一方向激励单一成分的SH0波；作为传感器时，该换能器亦只对设计方向入射的SH0波敏感。
图2 超构换能器的仿真声场
图3 实验测量的超构换能器声场
与传统的相控阵方法相比，本文所提出的换能器所有压电晶片由同一个信号源同时触发，不要额外的时间延迟，从而避免了昂贵的延时电路。同时，该超构换能器可克服结构健康监测中换能器阵列因粘接质量差异难以保证阵元均一性的问题，从而在结构健康监测和无损检测中具有可观的应用前景。
作者介绍
苗鸿臣 副教授
西南交通大学
- 苗鸿臣，西南交通大学力学与航空航天学院副教授、博导、院长助理，中国科协青年人才托举工程项目入选者，四川省“千人计划”特聘专家。主要从事波动力学和超声智能监测技术研究，在MSSP, JSV, IJMS等期刊发表论文40余篇, SCI他引600余次，申请或授权发明专利8项，软件著作权2项。担任《Smart Materials and Structures》和《Sensors》期刊客座编辑。
期刊介绍
- 2022年影响因子：4.1 Citescore：7.5
- Smart Materials and Structures（SMS，智能材料与结构）是一本多学科期刊，专注于智能材料、系统和结构（包括智能系统、传感和驱动、自适应结构和主动控制）的技术性进展。SMS内容涵盖：智能材料开发和应用；用作传感器和驱动器的智能材料；自适应结构系统；用于修正光谱偏移和折射率偏移的智能光学材料；用于地面车辆、飞机和民用基础设施；能源收集系统；利用仿生学和生物灵感的智能材料系统；3D打印智能材料及其应用；智能纺织品和可穿戴技术等。