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302 2019 年 5 月
条长度 (孔径)W、指条数目 n、周期节长 L、指条宽
0 引言 度a、指间间隔b，其中周期节长L = a + b。
由于兰姆波与板材缺陷产生较强的相互作用， L a
可以携带大量检测所需信息，能够较好检测出板材 b
早中期材料损伤，因此在评价板状结构性能中受到
广泛关注 [1−3] 。在非线性兰姆波检测实验研究中，
W
主要通过压电陶瓷超声换能器经过斜劈激发和接
收兰姆波信号，即将具有一定角度的斜劈与纵波直
探头结合，从而获得沿特定角度入射的纵波信号，进
而在板状构件中得到兰姆波信号 [4] 。超声换能器的
图 1 梳状电极基本结构图
频响能力以及超声换能器与构件之间的耦合情况
Fig. 1 A typical comb transducer mode
是影响检测研究的关键因素 [5] 。前者决定检测过程
在梳状电极的设计制作中，每个指条的长度
中是否可以对基波、二次谐波以及高次谐波信号同
W 需要保持一致，假设每个指条激发等幅的简谐
时响应，后者决定了接收非线性超声信号的稳定性。
超声波，且传播过程中无衰减。考虑到指条排列的
但是实际检测过程中，压电陶瓷超声换能器在复杂
周期性，得到相邻指条电极激发和接收的兰姆波相
构件表面耦合较困难，且不便对构件及设备进行在
位差为
线检测与监测。
聚 偏 二 氟 乙 烯 (Polyvinylidene difluoride, ∆θ = ω 0 τ = ω 0 L/υ s , (1)
PVDF) 梳状换能器是一种柔性较好、具有良好 其中，ω 0 为角频率，τ 为时间，υ s 为相速度。
的耐冲击和耐疲劳性能的换能器，不仅可以方便地 基于输出矢量和方法进行分析，当相位差
粘贴于复杂构件的表面，而且可以长期粘贴于构件 ∆θ = 2π时总输出达到最大值，带入式(1)得到
和设备表面进行在线检测 [6−8] 。PVDF梳状换能器 L = 2πυ s /ω 0 = υ s /f 0 = λ 0 . (2)
主要由 PVDF 压电薄膜和梳状电极两部分组成，制
因此，PVDF 梳状换能器用于接收特定模式的
作过程简单且成本低廉。通过对梳状电极的设计可
兰姆波需要满足的基本条件是梳状电极的周期节
以实现特定模式兰姆波信号的激发和接收 [9] 。目
长L与该特定模式兰姆波的波长λ 0 相等。
前，对其非线性范围内的性能研究工作较少。
周期节长 L 决定了所接收的特定兰姆波模式，
本文首先对 PVDF 梳状换能器进行设计制作，
指条宽度 a 和周期节长 L 的比值 η = a/L 称为金属
主要包括梳状电极的指条长度、指条数目、指条宽
化率 [9] ，将对 PVDF 梳状换能器的响应频率起到决
度、指间间距和周期节长等相关参数。然后将设计
定作用。在特定模式兰姆波中基频 f = υ s /λ，2π 是
制作的 PVDF 梳状换能器用于薄铝板中非线性兰
一个周期。例如，当η = 1/3 时，即 a = λ/3，则相当
姆波信号的接收，并对接收非线性兰姆波信号的稳 于 1/3 个周期，相位为 120 ；二次谐波的频率为 2f，
◦
定性进行实验研究。
波长为λ/2, 则相当于相位为240 ，以上频率均能够
◦
被 PVDF 梳状换能器很好地响应。综上可述，当金
1 梳状电极特性分析
属化率 η = 1/3 时，可以被 PVDF 梳状换能器接收
并放大的信号需要满足相位关系360 N ± 120 (其
◦
◦
PVDF 梳状换能器可以用于激发和接收特定
中N = 1, 2, 3, · · · )，即可以对1, 2, 4, 5, 7, · · · 倍频的
模式的兰姆波信号，主要取决于梳状电极的周期节
信号进行放大接收。
长和指宽的参数设计 [9] 。梳状电极主要以叉指换能
器的工作原理为基础进行设计制作 [10] 。为了研究
2 换能器设计制作
PVDF 梳状换能器接收非线性兰姆波信号的性能，
本文主要运用输出矢量和方法对其进行分析研究。 PVDF 梳状换能器主要由 PVDF 压电薄膜和
图 1 为梳状电极的基本结构，主要几何参数包括指 梳状电极两部分组成，如图2所示。PVDF压电薄膜
