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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 305

通过比较相同传播距离下 3 次重复实验中基波 非线性兰姆波信号接收端时，其接收的基波信号和
和二次谐波幅值的波动情况，进行兰姆波信号的稳 二次谐波信号幅值在 3 次重复实验中波动较小，且
定性分析。如图 8 所示，当 PVDF 梳状换能器作为 幅值随距离变化的拟合直线相距较近，说明误差较
小。由此可得，PVDF 梳状换能器作为非线性兰姆
30
ᄱࠫ᭤ጳভԠ᧚ (A ⊳A  )/10 -4 26 相比，其信号接收端的接收信号幅值较小，但这个现
波信号接收端时具有较好的稳定性。值得说明的
 28 是，受到 PVDF 压电薄膜的声阻抗及机电耦合系数
的影响，PVDF 梳状换能器与压电陶瓷超声换能器

象不影响对信号稳定性的分析。同时在实验中可以
通过增加电感-变压器等器件进行信号放大，可以达
24
到同样的效果。
0 20 40 60 80 100
͜୧ᡰሏ/mm
4 结论
图 7 相对非线性参量与传播距离之间的关系图
Fig. 7 The variation of relative nonlinear param- 本文将设计制作的 PVDF 梳状换能器应用于
eter with different propagation distances 非线性兰姆波信号的接收实验研究。首先对PVDF
梳状换能器的梳状电极进行相关参数的设计，并通
11.0
comb-A1-1 过输出矢量和方法对其工作特性进行分析。然后，
10.5 comb-A1-2
comb-A1-3 对 PVDF 梳状换能器进行设计制作，并将其应用于
piezo-A1-1
10.0 piezo-A1-2
piezo-A1-3 铝板的兰姆波检测实验中。实验结果显示，PVDF
9.5
梳状换能器可以接收特定模式的非线性兰姆波信
9.0
૝ࣨ 号，且时域信号较纯净，谐波信号的幅值明显，并
8.5
通过二次谐波信号积累效应实验验证了谐波信号
8.0
来源于试样材料。最后，将 PVDF 梳状换能器与压
7.5
电陶瓷超声换能器分别作为信号接收端进行稳定
7.0
性比较分析，结果显示，PVDF 梳状换能器作为信
20 40 60 80 100 120
͜୧ᡰሏ/mm 号接收端时具有较好的稳定性。因此，经过设计优
(a) ۳ฉࣨϙԫӑৱц 化后，PVDF 梳状换能器有望克服兰姆波频散和多
模式的特性并应用于复杂构件的在线检测和监测。
0.20
comb-A2-1 PVDF 压电薄膜的性能决定了该换能器具有高冲
comb-A2-2
0.18 comb-A2-3
piezo-A2-1 击强度、质地柔软、质量小以及寿命长等优点，但是
piezo-A2-2
piezo-A2-3
0.16 不适用于高温环境。除此之外，在实际使用过程中
可以通过连接电感 -变压器器件克服接收信号幅值
૝ࣨ 0.14 较小的缺点。
0.12
参 考 文 献
0.10
[1] Deng M X. Analysis of second-harmonic generation of
0.08
20 40 60 80 100 120 Lamb modes using a modal analysis approach[J]. Journal
͜୧ᡰሏ/mm of Applied Physics, 2003, 94(6): 4152–4159.
(b) ̄൓ៈฉࣨϙԫӑৱц [2] Shui G, Wang Y S, Huang P, et al. Nonlinear ultrasonic
evaluation of the fatigue damage of adhesive joints[J].
图 8 基波和二次谐波幅值变化情况
NDT & E International, 2014, 70: 9–15.
Fig. 8 Fluctuation of fundamental and second- [3] 马聪云. 材料疲劳损伤的非线性 Lamb 波测试及表征研
harmonic signals amplitude 究 [D]. 上海: 华东理工大学, 2018.