北大在无损检测、结构健康监测领域取得突破性进展

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最近，北京大学工学院李法新课题组在无损检测(NDT)/结构健康监测(SHM)领域取得了突破性进展，他们设计制备了面内剪切（d24）型压电陶瓷换能器，在平板中激励出单模态的零阶水平剪切波(SH0)，同时还可以有选择性地接收SH0波。

这项工作近日以快报的形式发表在NDT/SHM领域权威期刊Smart Materials & Structures上（http://dx.doi.org/10.1088/0964-1726/25/11/11LT01），文章的第一作者是工学院2012级博士生苗鸿臣。

超声导波一直是NDT/SHM领域最热门的前沿技术之一，与体波相比，它的优势在于能量衰减慢，适于长距离的缺陷检测和监测。平板和圆管中的导波相对简单且具有明显的应用背景。

以平板为例，其中传播的导波包括Lamb波和SH波。Lamb波易于激励和接收，但它是频散波，传播距离受限制，而且遇到边界和缺陷会发生波型转换，给信号处理带来很大的困难；SH0波是平板中唯一非频散的导波，传播过程中不易发生波型转换，信号处理要简单许多，但单模态的SH0波很难被激励出来。因此，目前平板中研究最多的还是Lamb波，研究主要集中在波型调制及信号处理方面。激励出单模态的SH0波是一直该领域研究人员的一个梦想。

在上世纪90年代，学者们已经采用电磁超声换能器(EMAT)在平板中激励出纯的SH0波。EMAT的最大问题是只适用于导体结构，同时由于是非接触式，虽然在高温等少数场合有优势，但其信噪比(SNR)比压电式传感器低1-2个量级，因此必须采用大功率的发射装置才能工作，其检测距离受到限制，而且设备笨重无法用于结构健康监测（SHM）。最近几年，学者们也在尝试采用压电纤维、压电单晶等来激励SH0波，但一直无法获得单模态的SH0波。

李法新课题组先是通过铁弹畴变在PZT压电陶瓷中开发出d36型面内剪切的变形模式(APL,107, 122902, 2015)，进而采用d36型PZT陶瓷换能器在平板中激励出SH0波(JAP, 119, 174101, 2016)，但还是无法激励出单模态的SH0波。在2015年12月他们改变了思想，对面内极化的PZT陶瓷施加与极化垂直的面内电场，形成d24纯面内剪切的变形模式，首次采用压电换能器在平板中激励出单模态的SH0波，同时还可以有选择性地接收SH0波。

随后，课题组还发展了平面全指向性的SH0波换能器，并且采用指环形d24压电阵列，在圆管中激励出非频散的单模态零阶扭转波T(0,1)，目前这两项工作都在投稿中。这项工作(SMS2016)的重要意义在于提供了一种简单可靠的方式来激励SH0波，可以有力地推动基于SH0波的平板类结构的缺陷检测与健康监测。同时由于d24型压电陶瓷换能器安装无需压力且成本低廉，有望在长距离管道的安全监测中占据主导地位。

面内剪切（d24）压电换能器激励SH波有限元模拟图

这项工作也引起了业内的广泛关注和好评。在刚刚结束的第一届轨道交通健康监测国际研讨会上（中国青岛，2016.10.12-14），课题组的论文”Excitation and Reception of SH0 waves by using face-shear piezoelectric ceramics”被评为最佳论文一等奖（Meritorious Paper Award）。

评审委员会主席为Structural Health Monitoring杂志主编、斯坦福大学Chang Fu-Kuo教授，评审委员包括英国皇家科学院和工程院两院院士、帝国理工机械系系主任Peter Cawley教授等领域内权威学者。美国Georgia Tech Inst航空系讲座教授M. Ruzzene评价该工作为”very good, very important”。

本文来源于北京大学工学院力学与工程科学系网站（web.mech.pku.edu.cn）