用于单向激励和接收非频散超声导波的压电换能器及方法

unidirectional sh wave transducer based on phase-controlled antiparallel thickness-shear (d
15
) piezoelectric strips. theoretical and applied mechanics letters， 2020, 10(5):299-306.）。然而，与单向emat一样，该单向sh0波压电换能器亦只能在定频下工作且需要额外的延迟时间。
4.与线力加载不同，面内剪切变形在四个正交的主方向上产生sh0波，而在主应变方向上产生lamb波。西南交通大学苗鸿臣课题组提出利用两个对称的面剪切变形可以消除对称轴方向的sh0波，且可以有效抑制主应变方向的lamb波。根据此原理，苗鸿臣等研制了可以在宽频范围内在两个相反方向激励sh0波的压电换能器（h.c. miao, q. huan, f.x. li, g.z. kang. a variable-frequency bidirectional shear horizontal (sh) wave transducer based on dual face-shear (d24) piezoelectric wafers. ultrasonics, 2018,89,13
–
21.）。德国弗劳恩霍夫陶瓷技术和系统研究所的bernd k
ö
hler教授课题组根据相同的原理，研制了压电纤维复合材料换能器实现了双向sh0波的激励(b. k
ö
hler, y. kim, k. chwelatiuk, k. tschoke, f. schubert, l. schubert. a mode-switchable guided elastic wave transducer. j. nondestruct. evaluat. 2020,39)。苗鸿臣课题组最近基于面内剪切压电换能器和厚度剪切换能器产生声场的异同，提出了一种可以在较宽频率范围内激励单向传播sh0波的压电换能器，但仍然需要额外的时间延迟，且不能实现单向接收（j.c. cai, h. zhang, h.c. miao. excitation of unidirectional sh wave within a frequency range of 50 khz by piezoelectric transducers without frequency-dependent time delay. ultrasonics, 2022,118, 106579.）。面内剪切变形亦可通过磁致伸缩中的wiedemann效应产生，美国西南研究院kwun教授领导的课题组和韩国首尔大学的kim教授领导的课题组在磁致伸缩型sh0波换能器做了大量的工作，目前也已经实现了双向sh0波的激励（s. lee, y.y. kim, s.h. cho. beam-focused shear-horizontal wave generation in a plate by a circular magnetostrictive patch transducer employing a planar solenoid array. smart materials and structures, 2009,18,015009.），但尚未实现单向sh0波的激励。
5.综上，可以看出当前虽然有极个别的换能器能够实现单向sh0波的激励，但均需要较为复杂和昂贵的电路实现时间延迟，且有效工作频率较窄，不能实现单向接收。因此，有必要发展新的单向sh0波的换能器。此外，研究表明，薄壁圆管中的零阶扭转导波t（0，1）波和平板结构中的sh0波是等价的，因此理论上能够实现单向激励和接收sh0波的换能器也能单向性地激励和接收t（0，1）波。t（0，1）波是管道结构中唯一的沿轴向传播的非频散导波模态，在管道检测中具有可观的应用前景。若能设计制备新的换能器来实现在宽频范围内单向激励和接收非频散导波（sh0波或t（0，1）波），将会推动超声导波在无损检测和结构健康监测等领域的应用。


技术实现要素：

6.针对当前缺乏能够在宽频范围内单向激励和接收非频散超声导波的换能器，本发明提出了一种用于单向激励和接收非频散超声导波的压电换能器及其实现方法，非频散超声导波包括在平板结构中的sh0波和在管道结构中的t（0，1）波，在宽频范围内无需时间延迟即能够激励沿单向传播的非频散超声导波，且该压电换能器作为传感器接收非频散超声
导波时亦具有单向性。
7.本发明的一个目的在于提出一种用于单向激励和接收非频散超声导波的压电换能器。
8.本发明的用于单向激励和接收非频散超声导波的压电换能器包括m个基本单元，m为≥1的自然数；每个基本单元包括两个压电换能板、矮侧延时支柱、高侧延时支柱和单元内连接基板；其中，压电换能板的形状为l
×w×
h的长方体，满足h《0.5l， 长方体的厚度为h，长度为l，宽度为w，两个面积为l
×
w的表面分别上表面和下表面，沿长度l的方向为第一方向，沿宽度w的方向为第二方向；压电换能板的极化方向沿着第一方向，具有厚度剪切压电系数d
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；压电换能板的上表面和下表面分别作为电极面，在电极面上制备电极；矮侧延时支柱和高侧延时支柱的形状为长方体，长方体的截面形状与压电换能板的电极面一致；两个压电换能板的下表面分别粘贴在矮侧延时支柱和高侧延时支柱的上表面，两个压电换能板的极化方向相反；矮侧延时支柱和高侧延时支柱的底部通过单元内连接基板连接；m个基本单元的底部通过单元间连接基板连接；各个矮侧延时支柱、高侧延时支柱、单元内连接基板和单元间连接基板连接成一个整体构成延时基底；位于2m个压电换能板的上表面和下表面的电极分别采用一根导线电学连接，从而将2m个压电换能板并联；每一个基本单元中，矮侧延时支柱与高侧延时支柱的间距为，高度差为，满足，和，其中，为压电换能板在矮侧延时支柱和高侧延时支柱中产生的类剪切导波的波速，为被测波导中sh0波或t（0，1）波的波速，f为产生的类剪切导波和sh0波或t（0，1）波的振动频率；在每一个基本单元中，矮侧延时支柱所在的一侧为增强侧，高侧延时支柱所在的一侧为削弱侧，各个基本单元中，增强侧和削弱侧一致，并且，粘贴在矮侧延时支柱上的压电换能板的极化方向相同；相邻的基本单元的间距为，高度差为，满足；压电换能器作为致动器或传感器，既能够激励sh0波和检测具有平板结构的被测波导，也能够激励t（0，1）波和检测管道结构的被测波导；被测波导具有平板结构，在被测波导上设置压电换能器，压电换能器的延时基底的底面为平面：作为致动器时，上表面和下表面的电极分别采用一根导线电学连接至单一的信号源；信号源发出交流信号同时激励2m个压电换能板，通过逆压电效应的d
15
模式产生厚度剪切变形，从而在矮侧延时支柱和高侧延时支柱中产生具有设定的相位差的类剪切导波，类剪切导波分别通过矮侧延时支柱和高侧延时支柱传到被测波导；在一个基本单元内，两个压电换能板的极化方向相反，在矮侧延时支柱和高侧延时支柱中产生的切应力反向，因此矮侧延时支柱和高侧延时支柱中产生的类剪切导波相位相反；矮侧延时支柱与高侧延时支柱具有高度差，使得矮侧延时支柱中的类剪切导波先于高侧延时支柱中的剪切导波到达被测波导，类剪切导波到达被测波导中后，诱导被测波导产生sh0波并进一步向两侧传播；矮侧延时支柱引起的sh0波向着高侧延时支柱的一侧即削弱侧传到高侧延时支柱的正下方的时间刚好等于高侧延时支柱中的类剪切导波滞后于矮侧延时支柱中的类剪切导波
的时间，从而矮侧延时支柱和高侧延时支柱引起的sh0波同时到达高侧延时支柱下方的被测波导，矮侧延时支柱和高侧延时支柱诱导被测波导产生的sh0相遇，且相位相反，因此在高侧延时支柱即削弱侧干涉相消；并且各个基本单元的间距满足干涉增强的条件，对于沿增强侧传播的sh0波则实现干涉增强，从而达到激励单向传播sh0波的效果；同时，矮侧延时支柱和高侧延时支柱中的类剪切导波对被测波导的作用等效为两个反平行的切向分布力，因此两者在沿着切应力方向诱导的lamb波亦将由于对称性原理而干涉相消，从而保证压电换能器所激励的sh0波的纯净性且只沿着平面360
°
方向的一个主方向传播即增强侧传播，从而实现激励沿单向传播的sh0波；作为传感器时，当被测波导中有sh0波传播至压电换能器时，首先在矮侧延时支柱和高侧延时支柱中引起类剪切导波，然后类剪切导波分别传至相应的压电换能板，并使压电换能板产生厚度剪切变形，压电换能板通过正压电效应产生电信号；根据波的互易原理，从削弱侧传播过来的sh0波，在两个压电换能板中引起的电信号相位相反，因此相加得到的总信号被干涉削弱，而从增强侧传播过来的sh0波，在两个压电换能板中引起的电信号相位增强，因此得到的总信号被干涉增强，即过滤掉削弱侧的sh0波，只接收增强侧的sh0波，从而实现单向接收sh0波；被测波导为管道结构，沿管道周向一圈均匀布置多个相同的压电换能器，构成周向阵列，每一个压电换能器的第一方向均垂直于管道结构的中心轴，第二方向平行于管道结构的中心轴，所有压电换能器的矮侧延时支柱和高侧延时支柱分别位于同一侧，并且矮侧延时支柱即增强侧朝向管道结构的被测部分，压电换能器的延时基底的底面与管道结构的外表面具有相同的曲率：作为致动器时，每一个压电换能器中的上表面和下表面的电极分别采用一根导线电学连接，所有压电换能器电学并联，连接至同一个信号源；信号源发出交流信号同时激励多个压电换能器中的所有压电换能板，通过逆压电效应的d
15
模式产生厚度剪切变形，从而在矮侧延时支柱和高侧延时支柱中产生具有设定的相位差的类剪切导波，类剪切导波分别通过矮侧延时支柱和高侧延时支柱沿着径向传到被测波导的表面，从而在被测波导的表面引起周向均匀分布的剪切应力；压电换能器的数目应能够使其施加的载荷沿着管道结构的轴对称分布；在管道结构中振动位移沿着周向对称分布的导波模态只有扭转导波模态，故在一阶扭转导波的截止频率以下只会激励出单模态的零阶扭转导波t（0，1）波；在每个换能器的基本单元内，两个压电换能板的极化方向相反，矮侧延时支柱和高侧延时支柱中产生的类剪切导波相位相反，因此在管道结构的表面引起相位相反的周向剪切应力；矮侧延时支柱与高侧延时支柱具有高度差，使得矮侧延时支柱中的类剪切导波先于高侧延时支柱中的剪切导波到达被测波导的表面，类剪切导波到达被测波导的表面后，诱导被测波导产生零阶扭转导波t（0，1）并进一步沿平行于中心轴的方向向两侧传播；矮侧延时支柱引起的t（0，1）波向着高侧延时支柱的一侧即削弱侧传到高侧延时支柱的正下方的时间刚好等于高侧延时支柱中的类剪切导波滞后于矮侧延时支柱中的类剪切导波的时间，从而矮侧延时支柱和高侧延时支柱引起的t（0，1）波同时到达高侧延时支柱下方的被测波导的表面，矮侧延时支柱和高侧延时支柱诱导被测波导产生的t（0，1）波相遇，且相位相反，因此在高侧延时支柱即削弱侧干涉相消；并且各个基本单元的间距满足干涉增强的条件，对于沿增强侧传播的t（0，1）波则实现干涉增强，从而实现激励沿单向传播的t（0，1）波；
作为传感器时，当被测波导中有t（0，1）波传播至压电换能器时，首先在矮侧延时支柱和高侧延时支柱中引起类剪切导波，然后类剪切导波分别传至相应的压电换能板，并使压电换能板产生厚度剪切变形，压电换能板通过正压电效应产生电信号；根据波的互易原理，从削弱侧传播过来的t（0，1）波，在两个压电换能板中引起的电信号相位相反，因此相加得到的总信号被干涉削弱，而从增强侧传播过来的t（0，1）波，在两个压电换能板中引起的电信号相位增强，因此得到的总信号被干涉增强，即过滤掉削弱侧的t（0，1）波，只接收增强侧的t（0，1）波，从而实现单向接收t（0，1）波。
9.压电换能板采用压电材料，对压电材料进行极化形成压电换能板；压电材料采用铁电陶瓷或铁电型压电单晶，或者采用非铁电型压电单晶；压电材料应能够在外电场作用下产生厚度剪切变形，反之当外力迫使该压电材料产生厚度剪切变形时，应能够在电极面形成电位移，即将机械能转换为电能。延时基底采用各向同性的金属材料，如铝，钢等；或者采用陶瓷材料，如氧化铝，未极化的pzt陶瓷等；当被测波导表面为曲面时，采用低弹性模量且高弹性的材料，如橡胶。
10.具有平板结构的被测波导，在平面上布置n个相同的压电换能器，将相邻的压电换能器的延时基底的底部连接成一个整体，所有压电换能器的延时基底的底部位于同一个平面，构成压电换能器正n边形环形阵列，每一个压电换能器位于正n边形的一条边上，相邻的压电换能器平行于第二方向的中心线之间的夹角θ=360
°
/n，n个压电换能器平行于第二方向的中心线均穿过正多边形的中心，每一个压电换能器平行于第一方向的中心线位于同一个正n边的一条相应边上，即每一个压电换能器的第一方向分别平行于正n边形的一条相应边，并且所有压电换能器的矮侧延时支柱位于外侧，高侧延时支柱位于内侧，n为≥3自然数；在压电换能器正多边形环形阵列中，每个压电换能器分别连接一个独立的信号源进行独立激励，或者所有压电换能器连接至同一个信号源进行整体激励；单独激励时，选择激励压电换能器正n边形环形阵列中的一个或多个压电换能器，即能够实现类似于相控阵阵列的声束偏转。同理，作为传感器时，能够选择接收不同方向传播的sh0波。
11.压电换能板的l满足1 mm~50 mm。
12.本发明的另一个目的在于提出一种用于单向激励和接收非频散超声导波的压电换能器的实现方法。
13.本发明的用于单向激励和接收非频散超声导波的压电换能器的实现方法，包括以下步骤：1）制备压电换能器：a）根据所需激励的类剪切导波和sh0波或t（0，1）波的振动频率，计算在矮侧延时支柱和高侧延时支柱中产生的类剪切导波的频散曲线，设计延时基底，使每一个基本单元中，矮侧延时支柱与高侧延时支柱的间距和高度差满足，和，其中，为压电换能板在矮侧延时支柱和高侧延时支柱中产生的类剪切导波的波速，为被测波导中sh0波或t（0，1）波的波速，f为产生的类剪切导波和sh0波或t（0，1）波的振动频率；并且相邻的基本单元的间距和高度差满足
；b）加工延时基底；c）提供压电换能板的压电材料，对压电材料进行极化，使其具有压电系数d
15
；d）将极化后的压电材料切割成l
×w×
h的长方体，用作压电换能板，其中长方体的厚度为h，长度为l，宽度为w，两个面积为l
×
w的表面分别上表面和下表面，沿长度l的方向为第一方向，沿宽度w的方向为第二方向；压电换能板的极化方向沿着第一方向；e）压电换能板的上表面和下表面分别作为电极面，在电极面上制备电极，同时保证在电极制备过程中不会改变换能板的极化状态；f）将压电换能板的下表面粘接在延时基底上；2）被测波导具有平板结构，在被测波导上设置压电换能器，压电换能器的延时基底的底面为平面：i作为致动器：a）上表面和下表面的电极分别采用一根导线电学连接至单一的信号源；b）信号源发出交流信号同时激励2m个压电换能板，通过逆压电效应的d
15
模式产生厚度剪切变形，从而在矮侧延时支柱和高侧延时支柱中产生具有设定的相位差的类剪切导波，类剪切导波分别通过矮侧延时支柱和高侧延时支柱传到被测波导；c）在一个基本单元内，两个压电换能板的极化方向相反，在矮侧延时支柱和高侧延时支柱中产生的切应力反向，因此矮侧延时支柱和高侧延时支柱中产生的类剪切导波相位相反；矮侧延时支柱与高侧延时支柱具有高度差，使得矮侧延时支柱中的类剪切导波先于高侧延时支柱中的剪切导波到达被测波导，类剪切导波到达被测波导中后，诱导被测波导产生sh0波并进一步向两侧传播；矮侧延时支柱引起的sh0波向着高侧延时支柱的一侧即削弱侧传到高侧延时支柱的正下方的时间刚好等于高侧延时支柱中的类剪切导波滞后于矮侧延时支柱中的类剪切导波的时间，从而矮侧延时支柱和高侧延时支柱引起的sh0波同时到达高侧延时支柱下方的被测波导，矮侧延时支柱和高侧延时支柱诱导被测波导产生的sh0相遇，且相位相反，因此在高侧延时支柱即削弱侧干涉相消；d）各个基本单元的间距满足干涉增强的条件，对于沿增强侧传播的sh0波则实现干涉增强，从而达到激励单向传播sh0波的效果；e）同时，矮侧延时支柱和高侧延时支柱中的类剪切导波对被测波导的作用等效为两个反平行的切向分布力，因此两者在沿着切应力方向诱导的lamb波亦将由于对称性原理而干涉相消，从而保证压电换能器所激励的sh0波的纯净性且只沿着平面360
°
方向的一个主方向传播即增强侧传播，从而实现激励沿单向传播的sh0波；ii作为传感器：a）当被测波导中有sh0波传播至压电换能器时，首先在矮侧延时支柱和高侧延时支柱中引起类剪切导波，然后类剪切导波分别传至相应的压电换能板，并使压电换能板产生厚度剪切变形，压电换能板通过正压电效应产生电信号；b）根据波的互易原理，从削弱侧传播过来的sh0波，在两个压电换能板中引起的电信号相位相反，因此相加得到的总信号被干涉削弱，而从增强侧传播过来的sh0波，在两个压电换能板中引起的电信号相位增强，因此得到的总信号被干涉增强，即过滤掉削弱侧的
sh0波，只接收增强侧的sh0波，从而实现单向接收sh0波；3）被测波导为管道结构，沿管道周向一圈均匀布置多个相同的压电换能器，构成周向阵列，每一个压电换能器的第一方向均垂直于管道结构的中心轴，第二方向平行于管道结构的中心轴，所有压电换能器的矮侧延时支柱和高侧延时支柱分别位于同一侧，并且矮侧延时支柱即增强侧朝向管道结构的被测部分，压电换能器的延时基底的底面与管道结构的外表面具有相同的曲率：i作为致动器：a）每一个压电换能器中的上表面和下表面的电极分别采用一根导线电学连接，所有压电换能器电学并联，连接至同一个信号源；b）信号源发出交流信号同时激励多个压电换能器中的所有压电换能板，通过逆压电效应的d
15
模式产生厚度剪切变形，从而在矮侧延时支柱和高侧延时支柱中产生具有设定的相位差的类剪切导波，类剪切导波分别通过矮侧延时支柱和高侧延时支柱沿着径向传到被测波导的表面，从而在被测波导的表面引起周向均匀分布的剪切应力；c）压电换能器的数目应能够使其施加的载荷沿着管道结构的轴对称分布；在管道结构中振动位移沿着周向对称分布的导波模态只有扭转导波模态，故在一阶扭转导波的截止频率以下只会激励出单模态的零阶扭转导波t（0，1）波；在每个换能器的基本单元内，两个压电换能板的极化方向相反，矮侧延时支柱和高侧延时支柱中产生的类剪切导波相位相反，因此在管道结构的表面引起相位相反的周向剪切应力；矮侧延时支柱与高侧延时支柱具有高度差，使得矮侧延时支柱中的类剪切导波先于高侧延时支柱中的剪切导波到达被测波导的表面，类剪切导波到达被测波导的表面后，诱导被测波导产生零阶扭转导波t（0，1）并进一步沿平行于中心轴的方向向两侧传播；矮侧延时支柱引起的t（0，1）波向着高侧延时支柱的一侧即削弱侧传到高侧延时支柱的正下方的时间刚好等于高侧延时支柱中的类剪切导波滞后于矮侧延时支柱中的类剪切导波的时间，从而矮侧延时支柱和高侧延时支柱引起的t（0，1）波同时到达高侧延时支柱下方的被测波导的表面，矮侧延时支柱和高侧延时支柱诱导被测波导产生的t（0，1）波相遇，且相位相反，因此在高侧延时支柱即削弱侧干涉相消；d）各个基本单元的间距满足干涉增强的条件，对于沿增强侧传播的t（0，1）波则实现干涉增强，从而激励沿单向传播的t（0，1）波；ii作为传感器：a）当被测波导中有t（0，1）波传播至压电换能器时，首先在矮侧延时支柱和高侧延时支柱中引起类剪切导波，然后类剪切导波分别传至相应的压电换能板，并使压电换能板产生厚度剪切变形，压电换能板通过正压电效应产生电信号；b）根波的互易原理，从削弱侧传播过来的t（0，1）波，在两个压电换能板中引起的电信号相位相反，因此相加得到的总信号被干涉削弱，而从增强侧传播过来的t（0，1）波，在两个压电换能板中引起的电信号相位增强，因此得到的总信号被干涉增强，即过滤掉削弱侧的t（0，1）波，只接收增强侧的t（0，1）波，从而实现单向接收t（0，1）波。
14.其中，在步骤1）的b）中，通过机械加工或增材制造的方式加工延时基底；延时基底采用各向同性的金属材料，如铝，钢等；或者采用陶瓷材料，如氧化铝，未极化的pzt陶瓷等；当被波导结构具有较大曲率时，采用低弹性模量且高弹性的材料，如橡胶。
15.在步骤1）的c）中，压电换能板采用压电材料，对压电材料进行极化形成压电换能板；压电材料采用铁电陶瓷或铁电型压电单晶，或者采用非铁电型压电单晶；压电材料应能够在外电场作用下产生厚度剪切变形，反之当外力迫使该压电材料产生厚度剪切变形时，应能够在电极面形成电位移，即将机械能转换为电能。
16.在步骤1）的e）中，制备电极采用离子溅射或化学镀的方法。
17.在步骤1）的f）中，如果延时基底采用导电材料，则对压电换能板的下表面与延时基底的上表面之间做绝缘处理，保证压电换能板的电极与延时基底不导通。
18.本发明的优点：本发明的压电换能器能够在工程应用的20khz~5mhz的频率范围内，根据所需激励的类剪切导波和sh0波或t（0，1）波的振动频率设计矮侧延时支柱与高侧延时支柱的间距和高度差，在所设计的振动频率下激励沿单向传播的sh0波或t（0，1）波，且能够作为传感器过滤掉削弱侧的sh0波或t（0，1）波，只接收增强侧的sh0波或t（0，1）波；此外，不论是单向激励还是单向接收，本发明的压电换能器均不需要外加电路或设备提供时间延迟。
附图说明
19.图1为本发明的用于单向激励和接收非频散超声导波的压电换能器的一个实施例的示意图；图2为本发明的用于单向激励和接收非频散超声导波的压电换能器的实施例一作为致动器在1mm厚铝板激励sh0波的实验结果，其中，（a）为以面内剪切d
24
型pzt压电换能器作为传感器在增强侧接收到的波形图，（b）为以面内剪切d
24
型pzt压电换能器作为传感器在削弱侧接收到的波形图, （c）为实验测量、理论预测和有限元模拟得到的换能器声场；图3为本发明的用于单向激励和接收非频散超声导波的压电换能器的实施例二用作传感器接收来自不同方向sh0波的实验结果，其中（a）为来自增强侧sh0波测量的结果，（b）为来自削弱侧sh0波测量的结果；图4为本发明的用于单向激励和接收非频散超声导波的压电换能器的实施例三的布置示意图，其中，（a）为侧视图，（b）为立体图；图5为本发明的用于单向激励和接收非频散超声导波的压电换能器的实施例四的布置示意图其中，（a）为俯视图，（b）为其中一个压电换能器的示意图，（c）为检测时的示意图；图6为本发明的用于单向激励和接收非频散超声导波的压电换能器的实施例五的布置示意图, 其中，（a）为侧视图，（b）为立体图。
具体实施方式
20.下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
21.如图1所示，本实施例的用于单向激励和接收非频散超声导波的压电换能器包括两个基本单元；每个基本单元包括两个压电换能板10、矮侧延时支柱11、高侧延时支柱12和单元内连接基板；其中，压电换能板的形状为l
×w×
h的长方体，长方体的厚度为h，长度为l，宽度为w，两个面积为l
×
w的表面分别上表面和下表面，沿长度l的方向为第一方向，沿宽度w的方向为第二方向；压电换能板的极化方向沿着第一方向，图1中p表示极化矢量，具有
厚度剪切压电系数d
15
；压电换能板的上表面和下表面分别作为电极面，在电极面上制备电极；矮侧延时支柱和高侧延时支柱的形状为长方体，长方体的截面形状与压电换能板的电极面一致；两个压电换能板的下表面分别粘贴在矮侧延时支柱和高侧延时支柱的上表面，两个压电换能板的极化方向相反；矮侧延时支柱和高侧延时支柱的底部通过单元内连接基板连接；两个基本单元的底部通过单元间连接基板连接；各个矮侧延时支柱、高侧延时支柱、单元内连接基板和单元间连接基板连接成一个整体构成延时基底；位于四个压电换能板的上表面和下表面的电极分别采用一根导线电学连接，从而将四个压电换能板并联；每一个基本单元中，矮侧延时支柱与高侧延时支柱的间距为，高度差为，满足，和，其中，为压电换能板在矮侧延时支柱和高侧延时支柱中产生的类剪切导波的波速，为被测波导中sh0波的波速，f为产生的类剪切导波和sh0波的振动频率；在每一个基本单元中，矮侧延时支柱所在的一侧为增强侧，高侧延时支柱所在的一侧为削弱侧，各个基本单元中，增强侧和削弱侧一致；相邻的基本单元的间距为，高度差为，满足。 相邻的基本单元的间距为两个基本单元的中心的距离；相邻的基本单元的高度差为相邻的基本单元的高侧延时支柱之间的高度差。
22.实施例一在本实施例中，压电换能器包括一个基本单元，压电换能板采用pzt-5h陶瓷，各边的设计尺寸为l=20 mm，w=2 mm，h=1 mm；延时基底由铝合金制成，延时基底中两个矩形条的截面与换能板尺寸相同，矮侧延时支柱与高侧延时支柱的间距和高度差分别为3 mm和2.7 mm。
23.本实施例的用于单向激励和接收非频散超声导波的压电换能器，作为致动器，包括以下步骤：1）制备压电换能器：a）根据类剪切导波和sh0波的振动频率，计算在矮侧延时支柱和高侧延时支柱中产生的类剪切导波的频散曲线，设计延时基底，仅包括一个基本单元，矮侧延时支柱与高侧延时支柱的间距和高度差分别为3 mm和2.7 mm；b）通过数控机床加工延时基底；c）提供pzt-5h陶瓷，对pzt-5h陶瓷进行极化，极化矢量p沿着第一方向，使其具有压电系数d
15
；d）将极化后的pzt-5h陶瓷切割成20 mm
×
2 mm
×
1 mm的长方体，压电换能板的极化方向沿着长度为20 mm的第一方向；e）压电换能板的上表面和下表面分别作为电极面，用离子溅射仪在电极面上制备电极，同时保证在电极制备过程中不会改变换能板的极化状态；f）使用环氧胶水将压电换能板的下表面粘接在延时基底上；2）作为致动器：a）上表面和下表面的电极分别采用一根导线电学连接至单一的信号源；
b）信号源发出交流信号同时激励两个压电换能板，通过逆压电效应的d
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模式产生厚度剪切变形，从而在矮侧延时支柱和高侧延时支柱中产生具有设定的相位差的类剪切导波，类剪切导波分别通过矮侧延时支柱和高侧延时支柱传到被测波导；c）在一个基本单元内，两个压电换能板的极化方向相反，在矮侧延时支柱和高侧延时支柱中产生的切应力反向，因此矮侧延时支柱和高侧延时支柱中产生的类剪切导波相位相反；矮侧延时支柱与高侧延时支柱具有高度差，使得矮侧延时支柱中的类剪切导波先于高侧延时支柱中的剪切导波到达被测波导，类剪切导波到达被测波导中后，诱导被测波导产生sh0波并进一步向两侧传播；矮侧延时支柱引起的sh0波向着高侧延时支柱的一侧即削弱侧传到高侧延时支柱的正下方的时间刚好等于高侧延时支柱中的类剪切导波滞后于矮侧延时支柱中的类剪切导波的时间，从而矮侧延时支柱和高侧延时支柱引起的sh0波同时到达高侧延时支柱下方的被测波导，矮侧延时支柱和高侧延时支柱诱导被测波导产生的sh0相遇，且相位相反，因此在高侧延时支柱即削弱侧干涉相消；d）同时，矮侧延时支柱和高侧延时支柱中的类剪切导波对被测波导的作用等效为两个反平行的切向分布力，因此两者在沿着切应力方向诱导的lamb波亦将由于对称性原理而干涉相消，从而保证压电换能器所激励的sh0波的纯净性且只沿着平面360
°
方向的一个主方向传播即增强侧传播，从而实现在宽频率范围内激励沿单向传播的sh0波。
24.图2展示了本实施例制备的压电换能器作为致动器在1 mm厚的铝板中用频率为210 khz的信号激励sh0波的波形图。当使用面内剪切d
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型pzt压电换能器作为传感器在增强侧接收sh0波时，图2（a）显示高信噪比的sh0波被成功激发，面内剪切d
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型pzt压电换能器能够激励并接收sh0波，但所激励的sh0波沿四个正交的主方向(李法新，苗鸿臣，谭池。用于激励和接收非弥散超声导波的压电换能器及制备方法。中国发明专利，专利号：zl 201610213142.5，授权公告日：2018年08月10日。)。当使用面内剪切d
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型pzt压电换能器作为传感器在削弱侧接收sh0波时，图2（b）显示没有sh0波被激发。图2（c）进一步给出了实验测量、理论预测和有限元模拟得到了的换能器激发的sh0波的声场图，发现所激励的sh0波的能量的确被聚焦在增强侧上；结合图2（a）、（b）和（c） 发现，实验测量的增强侧接收到的信号与削弱侧接收的信号幅值之比为22 db，故能够确定本实施例的压电换能器能够在210 khz激励单向传播的sh0波。进一步实验结果表明本实施例的压电换能器作为致动器能够在180 khz~250 khz的范围内激励单向传播的sh0波。这表明本发明的压电换能器能够在较宽频率范围内实现单向激励sh0波，目前现有技术中的其他各类换能器还不能在不改变换能器布置以及时间延迟的条件下实现上述功能。
25.实施例二在本实施例中，将实施例一种制备的压电换能器用作传感器：a）当被测波导中有sh0波传播至压电换能器时，首先在矮侧延时支柱和高侧延时支柱中引起类剪切导波，然后类剪切导波分别传至相应的压电换能板，并使压电换能板产生厚度剪切变形，压电换能板通过正压电效应产生电信号；b）根据波的互易原理，从削弱侧传播过来的sh0波，在两个压电换能板中引起的电信号相位相反，因此相加得到的总信号被干涉削弱，而从增强侧传播过来的sh0波，在两个压电换能板中引起的电信号相位增强，因此得到的总信号被干涉增强，即过滤掉削弱侧的sh0波，只接收增强侧的sh0波，从而实现单向接收sh0波。
26.图3展示了用面内剪切d
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型压电换能器作为致动器分别从压电换能器的增强侧和削弱侧激励210 khz的sh0波，用实施例一制备的压电换能器作为传感器接收波的实验结果。图3（a）显示当sh0波从增强侧入射时，能够探测到高信噪比的sh0波。然而，当sh0波从削弱侧入射时，则不能够被探测到，如图3（b）所示。结合图3（a）和（b）证明本发明的压电换能器用作传感器接收sh0波亦具有方向性，即只能接收来自增强侧的sh0波。进一步的实验表明，本实施例的压电换能器能够在180 khz~250 khz的频率范围内保持接收的单向性。这表明本发明能够在较宽频率范围内实现选择性地接收sh0波，能够极大的降低边界反射等回波信号对接收信号的干扰，具有重要的应用价值。目前其他各类换能器还不能在宽频范围内单向地接收sh0波。
27.实施例三本实施例中，用于钢轨缺陷的检测，图4给出了检测示意图。将两个独立的压电换能器按图4（a），分别对称布置在轨腰的两侧，延时基底的底面紧贴轨腰的侧壁，每一个压电换能器包括一个基本单元。两个压电换能器电学并联，在同一信号激励源下同时激励，则能够在轨腰中激励单向传播的sh0波，如图4（b）所示，图4（b）中星型符号代表缺陷。当sh0波遇到缺陷后，反射回波被压电换能器探测到。因为本发明的压电换能器只能单向发射sh0波，也只能接收发射方向的回波，因此能够对钢轨缺陷实现有效的识别。
28.实施例四图5给出了本发明的压电换能器的又一种实施方式。在正交异性钢桥面的平面上布置十二个压电换能器，n=12，相邻的压电换能器平行于第二方向的中心线之间的夹角θ=360
°
/12=30
°
，n个压电换能器平行于第二方向的中心线均穿过正多边形的中心，每一个压电换能器平行于第一方向的中心线位于同一个正n边的一条相应边上，即每一个压电换能器的第一方向分别平行于正n边形的一条相应边，并且所有压电换能器的矮侧延时支柱位于外侧，高侧延时支柱位于内侧。每一个压电换能器如图5（b）所示，包括一个基本单元，十二个独立的压电换能器按图5（a）沿环向叠放布置，相邻的压电换能器的延时基底的底部连接成一个整体，构成压电换能器正n边形环形阵列。压电换能器正n边形环形阵列中，每个压电换能器正n边形环形阵列单独激励，选择性激励环形阵列的一个或多个压电换能器，即能够实现类似于相控阵阵列的声束偏转。同理，压电换能器正n边形环形阵列作为传感器时，能够选择性地接收不同方向传播的sh0波。压电换能器正n边形环形阵列能够用于大型板壳结构缺陷的检测或监测。图5（c）展示了通过一个压电换能器正n边形环形阵列，图5（c）中星型符号代表缺陷，即能够实现正交异性钢桥面大范围内缺陷的有效识别。
29.实施例五图6给出了本发明的压电换能器的又一种实施方式。将多个独立的压电换能器按图6（a）所示的方式均匀沿管道周向一圈布置，构成周向阵列，每一个压电换能器的第一方向均垂直于管道结构的中心轴，第二方向平行于管道结构的中心轴，所有压电换能器的矮侧延时支柱和高侧延时支柱分别位于同一侧，并且矮侧延时支柱即增强侧朝向管道结构的被测部分，压电换能器的延时基底的底面与管道结构的外表面具有相同的曲率，其个数应使周向阵列在管道结构中引起的周向切应力轴对称分布。所有压电换能器电学并联，在同一信号激励源下同时激励，则能够在管道中激励单向传播的零阶扭转导波t（0，1），如6（b）所示，图6（b）中星型符号代表缺陷。当t（0，1）波遇到缺陷后，反射回来被周向阵列所探测。
因为该周向阵列只能单向发射t（0，1）波，也只能接收发射方向的回波，因此能够对管道缺陷实现有效地识别。
30.最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。