一种可滤除系统二次谐波干扰的喷水式压电超声传感器

本发明涉及一种可滤除系统二次谐波干扰的喷水式压电超声传感器。本发明涉及的超声传感器适用于结构早期损伤的谐波非线性检测，可以有效滤除检测系统产生的谐波非线性的干扰，属于无损检测。

背景技术：

1、非线性超声技术因其对结构早期损伤的高敏感性而备受关注。谐波检测技术利用入射超声波产生的谐波分量进行损伤检测与评价，是目前研究最多、应用最广泛的非线性超声技术，也最具有工程应用前景。由于谐波分量属于弱非线性响应，检测信号中谐波分量幅值通常比基波幅值小1-2个数量级。在非线性超声检测实验中，为激发出可感知的谐波分量，要求激励信号具有足够大的能量(输入信号通常在50-150v范围)。因此，激励信号的高能放大是非线性检测系统中必备环节，而信号的高能放大过程中会产生明显的谐波干扰，其幅值与待检测试件中微损伤产生的谐波响应相当。因此，如何剔除检测系统产生的谐波干扰一直是困扰谐波检测技术发展的难题。

2、通过传统数字滤波技术和一些复杂的信号处理技术(如比例相减、时间反转、相位对称分析等)，可以从检测信号中提取出弱的非线性分量。但是，在数字滤波或繁琐的信号处理过程中(如连续激励情况下的相位同步以及多次测量)，也会引起信号波形的畸变，势必会对结构早期损伤引起的非线性的估计产生更严重的影响。

3、为避免信号处理过程引入的非线性，人们将具有一定滤波能力的功能材料/结构引入超声波检测中，这种功能材料/结构就是声子晶体。声子晶体是由弹性固体周期排列在另一种固体或流体介质中形成的一种新型功能材料。弹性波在声子晶体中传播时，受其内部结构的作用，在一定频率范围(带隙)内被阻止传播，而在其它频率范围(通带)可以无损耗地传播，因此这种周期结构本身就可以作为一种天然的谐波滤波器，可用于剔除检测系统产生的谐波分量在结构中的传播。

4、声子晶体带隙产生的机理有两种：布拉格散射型和局域共振型。布拉格散射型声子晶体因具有较宽的声带隙特点而被广泛采用，其声带隙产生机理为，当入射超声波的波长与结构的特征长度(晶格常数)相近时，将受到结构强烈的散射。kundu等[anexperimental investigation of guided wave propagation in corrugated platesshowing stop bands and pass bands[j].journal of the acoustical societyofamerica,2006,120(3),1217-1226.]设计了一种带有正弦波纹槽的矩形波导声子晶体滤波器，其带隙随晶格的几何尺寸和散射体的形状改变而变化。miniaci等[proof ofconcept for an ultrasensitive technique to detect and localize sources ofelastic nonlinearity using phononic crystals[j].physical review letters,118(21),214301.]设计了一种具有封闭周期性单元(铝板中的十字孔)的声子晶体，利用该声子晶体的滤波和聚焦特性，实验证明了该结构可以用于微缺陷产生的谐波非线性分量的检测。但上述声子晶体通常需要改变待检测试件的结构完整性(即孔或夹杂)，限制了其应用。针对上述问题，ciampa等[phononic crystal waveguide transducers for nonlinearelastic wave sensing[j].scientific reports,2017,7,14712.]研制了一种无需改变被测结构完整性的声子晶体波导传感器，该传感器由压电片和声波导两部分组成，压电片粘贴在具有正弦边界轮廓的环形波导结构上。实验研究表明，利用该传感器作为声波激励源时，可以很好滤除检测系统产生的谐波干扰。amir等[the integration of superlatticesand immersion nonlinear ultrasonics to enhance damage detection threshold[j].applied physics letters,2017,111(20),201905.]将水固周期排布的超晶格结构用于水浸谐波非线性超声检测实验，证明该种声子晶体结构对检测系统产生谐波干扰的剔除作用。但目前非线性超声检测中应用声子晶体的研究刚刚起步，仅开展了少量探索性实验，在一体化传感器结构设计、制作工艺及实验验证等方面有待深入研究。

5、针对目前谐波非线性超声检测受检测系统谐波干扰影响的问题，本专利提出一种用于滤除检测系统二次谐波干扰的、含有超晶格结构的喷水式压电超声传感器。该传感器利用超晶格结构滤除检测系统产生的二次谐波干扰，同时通过喷水耦合方式可很好保证传感器与试件间的接触状态，该传感器有力地推动了谐波非线性超声检测技术的工程化应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种可滤除系统二次谐波干扰的喷水式压电超声传感器，特别适用于结构损伤的谐波非线性超声检测。该传感器的关键在于超晶格结构设计。利用“传递矩阵”法推导出超声波在周期性介质中的透射系数表达式，依据该式对超晶格进行结构设计，使带隙与非线性超声检测中的二次谐波频带相匹配。超晶格结构可调控的参数包括：晶格结构的材料、厚度、周期数及入射角。需要说明的是，在本发明中，超晶格结构是由固体层和水层组成的周期结构。水不仅作为超声波的耦合介质，同时也是传感器中超晶格结构的组成部分。在超晶格结构设计基础上，进行含超晶格结构的一体化水浸压电传感器结构设计。

2、本发明提出的基于“传递矩阵”法的超晶格结构参数及声带隙设计方法，其基本原理在于：

3、基于多层介质中平面波传播原理，提出一种计算超晶格中声带隙计算方法。如图1所示的超晶格结构，x轴和y轴分别为平行和垂直于超晶格周期性排列面的坐标轴。假设有n个厚度为d2的固体层周期性放置在水中，相邻固体层之间的距离d1是水层的厚度。平面波从左侧通过n个水固层传播到右侧，波型转换如图2所示。

4、在无外力的均质线弹性固体介质中，位移矢量υ的运动方程可表示为：

5、

6、式中，t为时间；ρ为介质密度；λ和μ分别为第一、第二lame常数。当μ＝0时，式(1)可简化为液体中的声波方程。

7、将一个水层和一个固体层看作超晶格的一个单元层。对于超晶格的第n个单元层，水中的纵波在xn处通过水固界面，转换为固体中的纵波和横波该波在xn+d2处的水固界面转换为水中的纵波在xn+1＝xn+d1+d2界面处，水中的纵波变为可由式(1)得到各类超声波的势函数为：

8、

9、

10、

11、

12、

13、式中，k1l、k2l、k2t分别为水中的纵波数、固体中的纵波数和横波数；β1l、β2l、β2t分别为相应的斜入射角；x、y分别表示声波在x、y轴方向的位移；d1、d2分别为超晶格中液体和固体的厚度；和表示第n个单元在水固分界处的透射波幅值；和表示第n个单元在水固分界处的反射波幅值。

14、超声波在水固分界处转换时，满足法向速度和应力连续的边界条件。如式(7)、(8)、(9)的关系分别为法向速度连续条件、法向应力平衡和剪切应力平衡条件：

15、

16、

17、

18、式中，ω表示激励信号的角频率；ρ1、ρ2分别为水和固体的密度；c1l、c2l、c2t分别为水的纵波波速和固体的纵波、横波波速。

19、根据公式(2)-(5)、(7)-(9)可得与之间的传递矩阵an。因此，

20、

21、其中，

22、

23、

24、

25、

26、

27、由相邻单元的传递矩阵，可推导出任意两个单元之间的声波传递关系为：

28、

29、其中，

30、

31、传递矩阵a1,n可建立超晶格的第一个和最后一个单元层之间的声波转换关系。超晶格的总透射系数和总反射系数与传递矩阵a1,n的关系为：

32、

33、式中，t和r为透射和反射系数，透射率tr和反射率re分别是透射系数和反射系数的平方，*指伴随矩阵。

34、利用“传递矩阵”法，可推导出超晶格结构中超声波的透射系数表达式。可由式(12)-(15)得出，声波的传播特性与水和固体的声速、密度、厚度、周期数以及激励信号的频率、入射角有关。因此，可以根据所需剔除的系统二次谐波干扰的频带进行超晶格结构参数的设计，使其声带隙与二次谐波频带相匹配。

35、本发明的技术方案如下：

36、本发明所设计的可滤除系统二次谐波干扰的喷水式压电超声传感器参考图3，包括握把1、握把支架2、探头线3、喷水超声激励传感器4、传感器角度调节旋钮5、底座架6、传感器水平位置调节旋钮7、支撑轮8、平移轨道9、平移滑块10、传感器高度调节架11、喷水超声接收传感器12、传感器高度调节旋钮13。握把支架2与底座架6的上表面相接。喷水超声激励传感器4和喷水超声接收传感器12的外观一致，对称放置于握把1的两端。两者均配置传感器角度调节旋钮5、传感器水平位置调节旋钮7、传感器高度调节旋钮13，且与各调节旋钮以螺纹配合的方式相连。在激励侧，喷水超声激励传感器4与平移滑块10通过螺母分别固定在传感器高度调节架11的两侧。在接收侧，喷水接收传感器12与平移滑块10也通过同样的方式连接。支撑轮8有4个，位于底座架6的下方，可支撑和移动整个装置。

37、喷水超声激励传感器4的内部结构如图4所示，包括进水腔14、缓冲腔15、喷嘴16、主配水口17、副配水口18、进水管道19、超晶格部件20、水浸超声探头21、探头座22。水从进水管道19流入进水腔14，再分别流入主配水口17和副配水口18。从6个副配水口18进入的水溢满水浸超声探头21和超晶格20之间，水作为介质实现两者的耦合。水从6个主配水口进入缓冲腔15，水在缓冲腔15的锥形壁易于形成层流，以稳定的水柱从喷嘴16喷射到试件表面，提供了超声探头和试件之间的耦合通道。接收过程中不需要超晶格进行滤波，因此，喷水超声接收传感器12没有放置超晶格、超晶格夹具与副配水口，其内部整体置于水域条件仅由主配水口17进水实现。喷水超声接收传感器12的其余内部特征与喷水超声激励传感器4一致，如图5所示。

38、超晶格部件20的具体排列方式如图6所示，包括超晶格固定器前端23、固体介质24、相邻固体间隔层25、超晶格固定器底座26。相邻固体间隔层25由三片90°环片构成，材料与固体介质24相同，空心部分为液体储存间。固体介质24与相邻固体间隔层25的边沿轮廓为齿轮状，每一层凸起边沿错位放置在超晶格固定器前端23的疏齿状的槽中。超晶格固定器前端23的疏齿置于超晶格固定器底座26的凹槽中。超晶格固定器前端23圆盘中的镂空更利于水进入相邻固体间隔层25。

39、本发明具有以下优点：1)通过对水固周期性排列的超晶格结构参数设计，如固体材料类型、尺寸、排布周期等，实现滤除检测系统产生二次谐波的目的。2)利用喷水式耦合，实现试件与探头的非接触耦合，同时还可保证耦合状态的稳定和一致性。3)超晶格与喷水耦合相结合的一体式压电超声传感器，有力推动了谐波非线性技术的工程应用。