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工学院李法新课题组发表长篇综述回顾SH波换能器的激励机理和广泛应用

2021-03-10

近日,应超声导波领域权威期刊《Ultrasonics》主编邀请,vnsc威尼斯城官方网站李法新课题组在《Ultrasonics》上撰写了题为 “Shear horizontal wave transducers for structural health monitoring and nondestructive testing: A review”的长篇综述论文(Hongchen Miao and Faxin Li, Ultrasonics, 2021, 114, 106355 (27pp).),系统回顾了水平剪切波(SH波)换能器的研究进展及其在结构健康监测(SHM)和无损检测(NDT)领域的广泛应用。论文第一编辑是李法新课题组2017届博士毕业生苗鸿臣,现为西南交通大学力学与工程学院副教授、四川省海外高层次人才引进计划专家。


图1 综述一览

“工程结构安全的长期智能监测预警技术”是中国科协2018年发布的60个重大科知识题和工程技术难题之一。超声导波被认为是实现结构智能监测最具前景的技术方法,然而以往常用的Lamb导波由于固有的多模态和频散特性给信号处理带来了极大的困难。解决该问题最理想的方式是使用单模态的非频散导波,如板壳结构中的零阶水平剪切波(SH0波),空心圆管结构中沿周向传播的零阶水平剪切波(CSH0波)和沿轴向传播的零阶扭转导波T(0,1),这些非频散导波均可归为SH导波。然而,SH波换能器的研制一直以来存在着各种各样的问题。近年来,在国内外学者的共同努力下,SH波换能器的研制取得了突破性进展,SH波的相关研究也受到了广泛的关注。

该综述论文首先阐述了SH0波的激励机理,指出施加切向线力(位移)和诱导波导产生面内剪切变形是激励SH0波的两种方式,两种方式在物理上是等价的,其区别在于激励的声场不同。接着先容了压电和磁致伸缩材料的基本常识,并探讨了它们在物理规律上的相似性。然后系统回顾了基于洛伦兹力和磁致伸缩效应的两类SH波电磁超声换能器的研究进展。而后着重先容了近年来取得重要进展的SH波压电换能器,包括压电斜探头,厚度切变型和面内切变型SH波换能器。最后先容了SH0波压电换能器在平板结构监测和埋地管道监测中的应用。


图2 基于扭转导波的埋地管道监测系统

近年来,李法新课题组通过波动力学和压电智能材料两个领域的交叉融合,研发了三代面内剪切压电陶瓷材料,建立了SH0波可控激励的力学方法,研发了谱系化的SH0波压电换能器,并构建了用于平板和管道结构在线的测试系统。自2015以来,已在《Ultrasonics》、《Smart Materials and Structures》等领域主流期刊上发表关于SH0波的换能器设计及应用的SCI论文25篇,授权国家发明专利8项。

 

 

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