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第 38 卷 第 3 期 丁涛涛等： PVDF 梳状换能器接收非线性兰姆波的实验研究 303

是具有压电效应的薄膜，梳状电极实际是在聚酰胺 节长L 与特定模式兰姆波的波长 λ 0 相等，因此需要
柔性材料(Printed circuit board, PCB)的一侧用铜 根据已知参数的试样材料对兰姆波的激发模式进
蚀刻上梳状图案后的构件 [5,9] 。首先将 PVDF 压电 行选择，以计算波长λ 0 。首先，选择板厚2 mm的Al
薄膜的负极粘贴在待测试样的表面，粘结层主要是 7075薄板作为待测试样。通过测量该材料的实验参
氰基丙烯酸酯粘合剂(406瞬凝胶)。然后，将梳状电 数，得到相速度和群速度频散曲线，如图3所示。
极粘结在PVDF压电薄膜正极。在粘结过程中除了 实验测量中选择 S1-S2 模式对进行激发。该模
要保证粘结层内部不能存在气泡之外，还要使粘结 式对的基波和二次谐波群速度匹配，因此二次谐
层厚度较小，可使用表面平滑的重物适度按压。 波波包与基频波包同时传播并接收，对后期信号处
由理论分析可知，PVDF 梳状换能器用于接 理更加方便 [3] 。同时选择的该模式对激发频率较
收特定模式兰姆波的基本条件是梳状电极的周期 低，受其他模式干扰较小。由图 3 所示的频散曲线
可得，S1-S2 模式对的激发频率 f = 1.8 MHz，相速
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度v p = 6224 m/s，群速度v g = 4273 m/s，则计算得
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೛࿄ႃౝ 到波长 λ 0 = v p /f ≈ 3.5 mm，即换能器的周期节长
ዥፇࡏ 17%'ԍႃᘙᒛ 2
L = λ 0 = 3.5 mm，指宽 a = L = 2.33 mm，则指
۳᠏ 3
间间隔 b = L − a = 1.17 mm。在梳状电极的制作
过程中，权衡其尺寸大小以及接收信号的性能，取指
图 2 PVDF 梳状换能器剖面图
条长度W = 30 mm，指条数目n = 10。按照PVDF
Fig. 2 A sketch of PVDF comb transducer
梳状换能器的制作过程将其制作完成并应用于非
线性兰姆波的检测实验中，实验测量的实际情况如
12
图4所示。
10
A4 S8
S5 S6 A6 A8
S4 A5 S7 A7
S3
ᄱᤴए/(kmSs -1 ) 6 S0 S1 P A2 S2
8
A1
A3
4
A0
2
༏ԧ ద఻ဝ 2 mmԒ PVDF೛࿄
૱ᑟ٨ ၕபഀ A17075 ౜ ૱ᑟ٨
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
ᮠဋ/MHz 图 4 PVDF 梳状换能器实验图
(a) ᄱᤴए Fig. 4 Experimental situation of the PVDF comb
6
transducer
5 S6
S3
S0 S1 S2 S4 A5 S5 A6 S7 3 实验与结果分析
Ꮖᤴए/(kmSs -1 ) 3 2 A0 A1 A2 A3 A4 A7 A8 3.1 在非线性兰姆波检测实验中，将使用 RAM-
4
实验平台

1 S8 SNAP-5000 超声测量系统，如图 5 所示。该系统根
据电脑指示信息产生脉冲信号，通过连接线经由衰
0 减器和低通滤波器后传递到压电陶瓷超声换能器
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
上，换能器通过逆压电效应把超声电信号转换为振
ᮠဋ/MHz
(b) Ꮖᤴए 动信号并经过一定角度的斜劈入射到板厚为 2 mm
的Al 7075 板中，激发的兰姆波在薄板中传播，携带
图 3 2 mm 厚 Al 7075 材料频散曲线
Fig. 3 Phase and group velocity dispersion curves 有大量检测信息的信号被 PVDF 梳状换能器接收，
of Lamb wave in a 2 mm thick aluminum plate 经过放大器后由示波器显示并存储。