背衬对埋入混凝土中压电陶瓷激励声能的影响*

谭 斌，陈 雨*，黄 润，李鹏程，陈 浩

(1.四川大学电子信息学院，成都 610064;2.重庆大学光电工程学院光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044)

混凝土是现代工程中最重要的建筑材料之一。由于各种原因，混凝土在浇筑和使用过程中，其内部会产生不同程度的缺陷，从而影响了混凝土的力学性质，给工程安全带来了隐患，因此，有必要采取有效的手段对混凝土建筑结构的健康状况进行检测［1－2］。超声无损检测是混凝土结构健康状况检测的主要方法。重庆大学对埋入混凝土中压电陶瓷的特性进行了研究，提出通过埋入的压电陶瓷激励声信号用以检测混凝土内部健康状况的方法［3－4］。在这种方法中，埋入混凝土中的压电陶瓷圆片在厚度振动模态下辐射的声波，被垂直于混凝土表面的压电换能器所接收，通过分析声信号可以判断混凝土内部的健康状态。由于压电陶瓷埋入混凝土后，其电－声特性受到混凝土凝固收缩的影响，使得压电陶瓷声激励效率降低，采集到的声信号微弱、信噪比低，且在激励、传输、检测过程还容易受到噪声的干扰，这些噪声会对数据分析以及检测结果的准确性产生影响，因此，提高声激励效率和声信号的信噪比对提高超声无损检测的准确性和可靠性起着至关重要的作用［5－6］。本文提出了一种在压电陶瓷圆片一侧用硅橡胶层合金属背衬的方法，该方法将压电陶瓷双侧的声能集中到一侧从而充分利用声信号能量提高声激励效率，介绍了声波在双层介质分界面上的传播特性，然后设计了埋入混凝土中压电陶瓷的背衬结构。实验表明，声信号能量的相对增量与背衬厚度和声信号激励频率相关，并通过高斯曲线拟合得到了两者之间的关系，即在埋入条件下，接收端声信号能量相对增量随背衬厚度与声激励频率之积变化的特性曲线，并得出了在压电陶瓷谐振点使得接收端声信号能量取最大值的最优背衬厚度。同时，对声信号进行功率谱分析还表明，背衬没有改变声信号功率谱主峰区间的频率带宽以及压电陶瓷的谐振频率。

1 声波在双介质分界面的传播特性

压电陶瓷与金属背衬层合后成为一种双层介质的压电陶瓷单元，声波在双层介质中传播时表现出与在均匀介质中传播时不同的特性，如图1所示。

图1 声波在双介质分界面上的反射和透射

当声波在声阻抗为Z1的均匀介质中传播遇到声阻抗为Z2均匀介质时，会在两介质的分界面上发生反射和透射，θr为入射角和θd为折射角，这样，两介质中声压的反射系数和透射系数如下表示:

可见，声波在两介质的分界面上的反射系数R和透射系数D取决于两介质的声阻抗Z1和Z2以及入射角θr和折射角θd的大小，即反射回波的强度取决于界面两侧介质的声阻抗和声波入射角以及折射角的大小［7－8］。因此，利用压电陶瓷和金属背衬的分界面上声波的反射可将压电陶瓷圆片厚度模式下双侧的声信号集中到同一侧，从而提高声信号的指向性增强压电陶瓷另一侧声波的能量。

2 实验样品和原理

本文研究了与金属背衬层合的PZT5H压电陶瓷埋入混凝土后对接收端声信号能量和声信号指向性的影响，对比了在4种不同厚度的金属背衬(0 mm，1.2 mm，2.4 mm，3.6 mm)作用下，接收端声信号能量和声信号指向性的变化规律。埋入混凝土中作为声源的压电陶瓷采用圆片结构，其振动模式为厚度振动模式，在压电陶瓷圆片上下端面上各镀有一层银电极。压电陶瓷圆片的厚度为2 mm，半径为12 mm，其结构如图2(a)所示。在压电陶瓷圆片的两极焊接同轴电缆作为信号线，并在其表面覆盖一层的硅橡胶层并与金属背衬层合，从而制作成压电陶瓷单元，其实物图如图2(b)所示。

图2 压电陶瓷圆片的背衬结构

PZT5H压电陶瓷具有较高的压电常数、弹性系数及介电常数，有利于在埋入条件下压电陶瓷辐射更强的声信号，该压电陶瓷的出厂参数如表1所示［9］。

表1 PZT5H压电陶瓷性能参数

压电陶瓷是一种脆性的物质，为了避免埋入混凝土中压电陶瓷在混凝土干缩效应产生的应力作用下受到损伤，压电陶瓷和金属背衬的外围均覆盖了一层厚度约为1.2 mm硅橡胶(单组分室温硫化硅橡胶)，橡胶层不仅能够保护压电陶瓷和减小混凝土夹持力对其的影响，同时还起到声阻抗匹配的作用［10－11］。压电陶瓷圆片的尺寸为 φ25 mm×2 mm，金属背衬圆片的尺寸为φ25 mm×1.2 mm。

如图3所示，压电陶瓷单元埋入在混凝土立方块中心位置，混凝土立方块的尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。实验原理如图4所示，在压电陶瓷上通过同轴电缆接一声激励信号(正弦脉冲电压)驱动压电陶瓷的两侧辐射声波，经混凝土传播后被换能器接收。且金属背衬能将压电陶瓷一侧的声波反射到另一侧能够提高声信号指向性，从而达到充分利用声信号能量提高声激励效率的目的。

图4 实验原理框图

3 声信号能量和声指向性实验及分析

在声信号能量实验中，埋入混凝土中压电陶瓷圆片厚度振动模式下声激励(正弦脉冲)频率以2 kHz的间隔从20 kHz到500 kHz变化，埋入混凝土中的压电陶瓷圆片在厚度方向上振动辐射声波，经混凝土传播后，在压电陶瓷圆片轴向方向上被垂直于混凝土表面的压电换能器所接收，通过计算可得在不同发射频率的声激励信号下接收端声信号的能量，改变背衬厚度进行相同的实验可以得到图5所示的特性曲线，即接收端声信号能量的归一化值随声激励频率变化的特性曲线。

图5 声信号能量实验中声能的归一化频率特性曲线

在声指向性实验中，在离压电敏感元件5 cm处端面内布置了7 个测点(L1，L2，L3，O，R1，R2，R3)，测试点位置的分布如图6(a)所示，并根据圆盘活塞声场指向性函数的定义计算并绘制了当激励频率f为79 kHz在不同厚度背衬下声指向性对比曲线如图6(b)所示。

图6 声指向性实验中测试点位置和声指向性的对比

由图5可知，相比于不层合背衬的情况下，对埋入混凝土中的压电陶瓷层合背衬后，接收端声信号能量增大，且当声激励频率为压电陶瓷的谐振频率(约为79 kHz)时，接收端声信号能量取极大值。同时，层合2片金属背衬时接收端声信号的能量最大，此时的背衬厚度为谐振点下的最优背衬厚度(即当声激励频率一定时，使得接收端声信号能量取最大值的背衬厚度)，其值为2.4 mm。当减小或增加背衬厚度时，相同声激励频率下，声信号的能量反而减小，可见，最优的背衬厚度同声激励频率相关。并且，压电陶瓷的谐振频率(79 kHz)不会因为埋入混凝土中而发生改变，即应力的变化不会影响压电陶瓷的谐振点，文献［12］也得出了相同的结论。

由图6(b)可知，相比于不层合背衬的情况，当埋入混凝土中的压电陶瓷层合背衬后，声指向性更加集中，在实验中还发现，随着声激励频率不断的增大，声指向性有所提高，即声信号的能量分布更加集中，并且声辐射平面最大振幅区域都集中在中心位置。结合图5和图6可知，背衬将压电陶瓷辐射一侧的声能反射到另一侧，且声信号的指向性也有所提高，使得原来向压电陶瓷圆片两侧不同方向传播的声波由于背衬的反射而在同一侧叠加，从而提高了声信号激励的效率，增大了单侧声信号的能量，并且声信号能量的相对增量(层合背衬前后声能之差与无背衬时声能的比值)是随背衬厚度和声激励频率变化的。同时，通过对实验和计算所得数据进行高斯拟合可得声信号能量的相对增量随背衬厚度与声激励频率的乘积d×f变化的特性曲线，如图7所示。

图7 声信号能量的相对增量随背衬厚度与激励频率之积d×f变化的特性曲线

4 声信号的功率谱分析

功率谱分析可以有效的研究信号在频域上的特征以及提取有用的信号成分［13］。从声信号能量的归一化频率特性曲线可知，最优背衬厚度同声激励频率相关，对接收端声信号去噪后进行功率谱分析如图8所示，可以进一步观察在埋入混凝土中的压电陶瓷层合背衬后接收端声信号能量变化的规律和其在频域上的特征。

从图8(a)可知，当声激励频率f为33.5 kHz，压电陶瓷层合1块背衬时(即d×f=40.2)，声信号能量的相对增量取极大值10.43，但此时的声信号能量并不是最大值，因为声激励频率并不是压电陶瓷的谐振频率。由前文已知，当声激励频率为压电陶瓷谐振频率点79 kHz时，最优背衬厚度约为2.4 mm，此时，声信号能量的相对增量只有3.326 8。

从图8(b)可知，当声激励频率f为47.8 kHz，压电陶瓷层合2块背衬时(即d×f=114.72)，声信号能量的相对增量取极大值8.736 7，分别大于当声激励频率为47.8 kHz，压电陶瓷不层合背衬，层合1块背衬，层合3 块背衬时(即d×f=0，57.36 和172.08)，声信号能量的相对增量0，6.952 1 和0.563 8。

从图8(c)可知，当声激励频率f为79 kHz，压电陶瓷层合2块背衬时(即d×f=189.6)，声信号能量的相对增量取极大值3.326 8，分别大于当声激励频率为79 kHz，压电陶瓷不层合背衬，层合1块背衬，层合3 块背衬(即d×f=0，94.8 和284.4)时，声信号能量的相对增量的值0，1.066 4和1.531 2。同时，结合图8(a)和图8(b)可知，声信号能量大其声信号能量的相对增量并不一定大，且背衬没有改变声信号功率谱的主频和主峰区间的频率带宽。

图8 不同厚度背衬下声信号的归一化功率谱对比图

图7表明声信号能量的相对增量是由d×f决定的，结合前文的声信号能量的归一化频率特性曲线可知，声信号的能量与声信号能量的相对增量并不成线性关系，声信号的能量大其声能量的相对增量并不一定大，为提高声信号的信噪比应同时考虑金属背衬厚度d和声激励频率f对声信号能量的影响，选择适当的d和f。

5 结论

超声无损检测是混凝土结构健康检测中广泛使用的方法，在埋入条件下，由于压电陶瓷的电－声特性受到混凝土凝固收缩的影响，使得压电陶瓷声激励效率降低，且容易受到噪声的干扰。本文提出了一种用金属背衬将压电陶瓷圆片厚度模式下双侧的声信号集中到同一侧，从而提高声信号的指向性增强压电陶瓷另一侧声波能量的方法，并利用信号处理技术对接收端声信号进行谱分析可以得出以下结论:

(1)在埋入混凝土中的压电陶瓷圆片的一侧层合金属背衬层后，可以有效的将压电陶瓷双侧声能集中到一侧，从而充分利用声能提高接收端声信号的信噪比，且没有改变声信号功率谱主峰区间的频率带宽以及压电陶瓷的谐振频率，这对于超声无损检测具有重要的实际意义。

(2)接收端声信号能量的大小与背衬厚度和声激励频率相关，实验表明，当声激励频率为79 kHz(压电陶瓷的谐振频率)时，最优背衬厚度约为2.4 mm。

(3)声信号的能量与声信号能量的相对增量并不成线性关系，要提高接收端声信号的信噪比应同时考虑金属背衬厚度d和声激励频率f对声信号能量的影响，选择适当的背衬厚度d和声激励频率f。

［1］Glenn Washer.Paul Fuchs of Ultrasonic Testing of Reactive Powder Concrete［J］.IEEE Transaction on Ultrasonic Ferroelectrics，and Frequency Control，2004，51(2):193－194.

［2］陈雨，文玉梅，李平.埋入混凝土中压电陶瓷应力及温度特性研究［J］.应用力学报，2006，23(4):658－661.

［3］田卉，文玉梅，李平，等.埋入混凝土结构中的PZT压电陶瓷温度特性研究［J］.传感技术学报，2007，20(9):1978－1980.

［4］陈雨，文玉梅，李平，等.混凝土中压电陶瓷在变载荷作用下的特性研究［J］.压电与声光，2005，27(6):701－702.

［5］郭浩，李平，文玉梅，等.埋入压电材料的机敏混凝土研究［J］.传感技术学报.2007，20(1):204－206.

［6］朱建林，向礼丹，柳莎莎，等.超声波传感器在混凝土无损检测系统中的应用［J］.传感技术学报.2008，21(7):128－129.

［7］吴慧敏.结构混凝土现场检测新技术——混凝土非破损检测［M］.湖南:湖南大学出版社，1998.7.

［8］美国无损检测学会.美国无损检测手册:超声卷［M］.北京:世界图书出版公司北京公司，1996.1.

［9］陈雨，文玉梅，李平，等.压电埋入式混凝土应力及温度传感器.微纳电子技术［J］.2007，7/8:204－205.

［10］Yu Chen，Yumei Wen，Ping Li.Characterization of Dissipation Factor sin Terms of Piezoelectric Equivalent Circuit Parameters［J］.IEEE Transactions on Ultrasonic，Ferroelectrics，and Frequency Control，2006，53(4):2367－2369.

［11］Wen Y，Chen Y，Li P.Characterization of PZT Ceramic Transducer Embedded in Concrete［J］.Sensors ＆ Actuators:A.Physical，2006，128(1):116－124.

［12］陈雨.混凝土压电陶瓷敏感模块特性研究［D］.重庆大学，2006.6.

［13］高全西，丁玉美.数字信号处理［M］.西安:西安电子科大出版社，2009.1.