OPCM超声换能器的驱动性能及正交异性研究

　　0　引言

　　超声探伤作为一种较成熟的无损检测技术，其优点是可检测厚度大，灵敏度高，速度快，成本低，对人体无害，能对缺陷进行定位和定量[1]。应力波驱动器作为在超声波探伤的关键部件，其性能对无损检测结果有重要影响。目前研究较多的驱动材料有形状记忆合金、压电材料、电流变材料、磁致伸缩材料、磁流变材料、胶体材料等[2]。压电材料因其具有良好的压电效应及逆压电效应在驱动器和传感器方面应用广泛，传统的压电驱动元件采用单一压电陶瓷，具有脆性大，压电驱动变形量小等不足。本文在压电复合材料研究的基础上，采用1-1型正交异性压电复合材料(OPCM)制备驱动元件，该元件自身为叉指型结构，其抗冲击性强，压电驱动变形量优于普通压电元件，尤其是具有独特的横观正交各向异性特点[3]。本文采用自制的OPCM换能器，通过数值模拟和实验验证，证明其具有正交异性性能。OPCM构成的换能器，由于其独特的结构，在受到电压信号激励时，利用其正交异性可在特定方向产生能量较强的超声波信号。利用这一特性有助提高结构损伤的定位精度。如图1(a)所示，普通驱动元件由于各向同性，在各方向产生等强度的应力波，发射的能量分散在整个区域，多余的反射波叠加后被传感器接收，不能突出特征信号的能量，加大了损伤定位的难度。

　　OPCM换能器能在特定方向驱动产生较强能量的超声波信号，如图1(b)所示，该信号形成的波束集中在较窄的区域，在对结构损伤进行检测时可减少声束区域外的其他有可能存在的损伤(含由于其边界或其他损伤引起波在传播过程中的反射、散射等)对传感器造成多余的干扰信号，提高了信噪比[4-6]。

　　1　理论分析

　　1.1　OPCM元件结构

　　图2为1-1型OPCM换能器的结构。OPCM方式为并联。OPCM驱动元件极化方向为x方向，相邻压电元件采用极性相反连接。压电相的1、2、3方向对应图中的y、z、x方向。

　　1.2　OPCM换能器驱动原理

　　OPCM驱动元件因其特殊的结构使3方向的驱动能力比1方向的强，可用于激励特定方向的应力波，当3方向的变形相比1方向大时，其正交异性效果越好，因此，可用其比值来表征其正交比。1-1型OPCM驱动元件的正交比可定义为当施加一定电压时，驱动元件在3方向与1方向产生的应变之比为

　　式中：Oa为正交比;珚S1和珚S3分别为OPCM驱动元件在1、3方向的应变。正交异性性能随着Oa的增大而增强。

　　1.3　OPCM元件正交异性理论分析

　　图3为取OPCM驱动元件代表性单元体，图中d为导电聚合物(电极)间距，a为压电相宽度，h为驱动片厚度，OPCM换能器长度为l，宽度为b。设OPCM驱动元件在1方向施加电压为U的电场，图示单元体电场强度为珚E1，电极电场强度为Ee1，压电相电场强度为，则