技术领域
[0001] 本
发明属于
机电换能器技术领域，涉及一种便于拆装的，对弹性波
变形模式具有选择性的机电换能器，具体是一种基于压电纤维复合材料的环状波模态换能器。
背景技术
[0002] 机电换能器指一类可以在机械场和
电场间进行
能量交换的设备，主要用于传感、作动以及近年来提出的振动
能量收集和振动抑制等。这类设备必然包含某种具有机电耦合效应的部件，可以由纯机械设计实现，例如可动极板电容、可动芯棒电感或音圈作动器等；也可以由具有机电耦合效应的智能材料实现，例如光学纤维、压电陶瓷片、压电堆或压电
薄膜等。基于智能材料实现的换能器具有轻质、小型和高效的特点，是目前机电换能器相关领域的关注热点。
[0003] 目前，机电换能器中使用最成熟、应用最广的智能材料是植入式或粘接式的压电晶片，其优势是
质量轻、机电耦合性能好以及易于加工实现等。然而，压电晶片较脆，易于断裂，难以于曲面贴合。为了突破这一限制，NASA兰利研发中心(Langley Research Center)开发了压电纤维复合材料，如参考文献1：用于结构控制的低功耗压电复合材料作动器.Proceeding SPIE,2000(3991):323-334.公开了压电纤维复合材料主要由压电纤维、叉指式
电极和环
氧树脂基体构成，压电纤维植入
环氧树脂基体中，所以压电纤维可以做的很细，因此具有比压电陶瓷单晶片低很多的弯曲
刚度，可以贴合复杂的曲面形状。同时，压电纤维作动器还具有比压电晶片更好的性能，如果同样采用3-3机电耦合模式，其作动
力是相同尺寸压电晶片的3倍；具体见参考文献2：基于导波特性的结构健康监测技术评述,The Shock and Vibration Digest,2007(39):91-114。但是，无论是压电晶片或是压电纤维复合材料，如果在使用中以粘贴或植入的方式与目标结构连接，都存在不方便拆卸、安装和维护的弱点。
[0004] 一旦将换能器布置到结构上，布置处结构的振动和变形会导致机械场与电场能量的交换。根据
固体力学理论，结构的弹性变形和振动是弹性波传导的结果，一个结构中正在传导的所有弹性波在同一瞬间产生的位移场
叠加起来，构成了结构在这一瞬间的变形。因此，如果不经特殊设计，在结构上布置换能器，例如在一个或多个
位置放置独立的
加速度
传感器或作动器，则有多个弹性
波导致的形变参与了机电耦合。换言之，此时换能器对弹性波不具有选择性，不能满足某些要求换能器对弹性波具有选择性的工程应用；例如在基于导波的结构健康监测技术领域，研究发现结构中存在的各种波模态对于不同的损伤具有不同的敏感度(散射、透射特性不同)。例如，S0模态的弹性波的散射特性对于板中沿厚度方向的损伤较敏感，而A0模态的弹性波则对表面裂纹和
腐蚀更敏感；如文献3：王奕首,卿新林.复合材料连接结构健康监测技术研究进展.复合材料学报,2016(01):1-16。因此，在探测特性损伤时，为了提高测试
精度，总是希望输入能的激振能量尽可能用于激发与特定损伤敏感度较高的波模态。除了用于健康监测，了解有某种给定的弹性波导致的变形量也有重要的实用意义，有助于人们更详细地分析结构的激振力，以及有助于有针对性地设计阻尼器等。
[0005] 上述工程领域所需求的是只对特定弹性波具有机电耦合性能的换能器，称为“波模态换能器”。文献研究表明，离散地布置压电材料并用恰当的
电路将它们连接起来，可以构建波模态换能器。例如，通过在板的同一个位置的两侧粘贴同样的压电片，并调整两侧压电片的连接方式，使它们在同一瞬间产生同向或反向的作用力，可以成功地激起了单模态的A0或S0波，见参考文献4：兰姆波的选择性激发及其在损伤复合材料层合板中的传播特性,2004,218(2):95-110。但目前尚无针对更复杂结构(如圆柱壳体等)中各种弹性波设计的波模态换能器。这一现状限制了基于压电材料的先进结构健康监测技术在管路、航空
发动机机匣、民航飞机
机身等近似柱壳结构上的应用。
发明内容
[0006] 本发明针对现有压电纤维复合材料存在不方便拆卸、安装和维护的问题，同
时针对圆柱壳体结构尚未有公开发表的波模态换能器能与包括弯曲波、拉压波以及扭转波在内的多种弹性波有选择性地进行能量交换的问题；提供了一种基于压电纤维复合材料的环状波模态换能器。
[0007] 所述的环状波模态换能器包括一对分半的柔性开口环和分布在柔性开口环上的压电纤维复合材料。所述的两个分半柔性开口环通过压紧
螺栓卡套在目标圆柱壳体的外侧，柔性开口环的两个半环完整闭合后，其内径公差带的上限小于柱壳外径公差带的下限，形成
过盈配合。
[0008] 柔性开口环选用与圆柱壳体结构相同或者相匹配的材料，柔性开口环的厚度为圆柱壳体结构的十分之一；柔性开口环的轴向长度长于压电纤维复合材料的轴向长度前后各2毫米。
[0009] 压电纤维复合材料在柔性开口环上的分布方式，根据不同的目标弹性波分别设定,为换能器提供机电耦合能力,电路网络将压电纤维复合材料连接起来，达到对弹性波的选择性机电耦合。目标弹性波包括：拉压波，弯曲波以及扭转波。
[0010] 针对拉压波，压电纤维复合材料的极化方向为径向，压电纤维复合材料的轴向长度为拉压波在测试频段中心
频率处
波长的一半，压电纤维复合材料沿周向不分段，在两个分半柔性开口环上各粘贴一整片；粘贴在两个分半柔性开口环上的压电复合材料并联连接，即内径处的电极连接在一起并接地，外径处的电极连接在一起作为换能器的输出端。
[0011] 拉压波的变形主要沿轴向，主要
应力是沿轴向的正应力，利用压电纤维复合材料的径向布置电极，p(θ)＝1；使得所有的弯曲波所产生的电荷都会相互抵消为零，只有拉压波产生的电荷才能在电路中积累。
[0012] 针对弯曲波，压电纤维复合材料的极化方向为径向，压电纤维复合材料的轴向长度为弯曲波在测试频段中心频率处轴向波长的一半，压电纤维复合材料沿周向分为均匀的数段，总分段数与弯曲波的周
波数相同，每一段的
覆盖角度为180除以分段数。各压电复合材料段并联连接，即内径处的电极连接在一起并接地，外径处的电极连接在一起作为换能器的输出端。
[0013] 弯曲波沿径向的变形沿圆周方向呈“周波数”形式；通过分段布置压电纤维复合材料，每段压电纤维复合材料的电极宽度与压电纤维复合材料的自身宽度一致；具体地，电极的轴向长度沿圆周方向的分布函数p(θ)为：
[0014]
[0015] i为周波数；
[0016] 针对扭转波，压电纤维复合材料的极化方向为周向，压电纤维复合材料的轴向长度为扭转波在测试频段中心频率处波长的一半，压电纤维复合材料沿周向不分段，即在分半的柔性开口环上是一个整片。在两个分半柔性开口环的压电复合材料并联连接，即一侧处的电极连接在一起并接地，另一侧处的电极连接在一起作为换能器的输出端。
[0017] 扭转波的变形主要沿周向，主要应力是沿周向的切应力，利用压电纤维复合材料的耦合与拉压波以及弯曲波不同，即周向极化，轴向布置电极。压电纤维复合材料分布方式满足p(θ)＝1，尽可能多的增加与扭转波的及电耦合能力。
[0018] 柔性开口环压紧在目标圆柱壳体的外侧,二者结合面处半径的差异将在圆柱壳体和柔性开口圆环之间产生
正压力，其作用是提供静
摩擦力，使弹性波经过时圆柱壳体与柔性开口环不产生相对滑移，这使得柔性开口环的变形与目标结构的变形一致。
[0019] 本发明的优点和有益效果如下：
[0020] (1)一种基于压电纤维复合材料的环状波模态换能器，机电耦合特性对弹性波具有选择性，可以分别只与拉压、弯曲和扭转波产生耦合效应，从而可以从
硬件层面排除多模态响应带来的
信号干扰，在结构健康监测和减振降噪等领域有广泛的应用前景。
[0021] (2)一种基于压电纤维复合材料的环状波模态换能器，通过压紧的方式连接到目标结构上的，所以其加工制造是独立于目标结构的，且便于拆装和维护。
[0022] (3)一种基于压电纤维复合材料的环状波模态换能器，采用压电纤维复合材料作为核心材料，该材料具有较好的贴合性，使得在开口环曲面的布置成为可能。而且该压电材料性能好，只需要较少的质量就可以达到预定的性能，大大降低了换能器对目标结构动力学特性的影响。
附图说明
[0023] 图1是本发明所述波模态换能器安装到目标柱壳结构上时的示意图。
[0024] 图2是本发明所述波模态换能器中的柔性开口环示意图。
[0025] 图3是本发明针对拉压波设计时，开口环上压电纤维复合材料的布置方式示意图。
[0026] 图4是本发明针对周波数为4的弯曲波设计时，开口环上压电纤维复合材料的布置方式示意图。
[0027] 图5是本发明针对周波数为6的弯曲波设计时，开口环上压电纤维复合材料的布置方式示意图。
[0028] 图6是针对周波数为4的弯曲波的换能器的数值分析结果；
[0029] 图7是本发明针对扭转波设计时，开口环上压电纤维复合材料的布置方式示意图。
[0030] 图中，101-柔性开口环，102-压电纤维复合材料(MFC)，103-压紧螺栓。
具体实施方式
[0031] 下面将结合附图和
实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0032] 本发明公开了一种基于压电纤维复合材料(Macro Fiber Composites)的环状波模态换能器，其特点是只与圆柱壳结构中特定弹性波产生相互作用，可用于结构健康监测、参数识别和振动抑制等领域。
[0033] 所述环状波模态换能器主要包括一对分半的柔性开口环和分布在其上的相互连接的压电纤维复合材料。通过在柔性开口环上布置几种不同的方式，使目标柱壳结构中的预定模态的弹性波(包括弯曲波、压缩波、扭转波)在通过换能器时，有一部分机械能可以与储存在压电材料的本征电容中的电
势能进行相互转换，进而可以根据应用需求达对弹性波进行传感、激发和调控。用于传感时，将换能器的输出端接到后续的电荷
放大器、示波器或
数字信号采集器上，即可获得一个表征耦合弹性波在结构中存在强度的
电压信号。用于弹性波激发时，将换能器的输出端接到功放(上游是信号发生器或类似功能的一起)上，则可激发耦合弹性波。用于弹性波传递特性调控时，在输出端接上电容、电感、电容、甚至负电容、
开关电路等原件，可以调控耦合弹性波的阻尼、群速度等。
[0034] 此外，采用将压电纤维复合材料先以特定方式布置在柔性开口环这种中间结构上，再压紧在目标圆柱壳结构上的方式，可激发和接收目标柱壳结构中特定模态的弹性波，且换能器可独立设计加工，且方便拆装和维护。特定的布置方式不同，包括材料的极化方向、几何尺寸、布置位置以及各离散压电材料之间的相互连接关系等，针对不同的目标弹性波。
[0035] 如图1所示，所述的两个分半柔性开口环具有翻边的开口环状结构，通过压紧螺栓将翻边压紧卡套在目标圆柱壳体的外侧，柔性开口环的两个半环完整闭合后，其内径公差带的上限小于柱壳外径公差带的下限，本实施例中采用H6/r5公差带，形成过盈配合。
[0036] 如图2所示，柔性开口环使用
铝为材料进行加工；或者使用与目标圆柱壳体结构相同的材料或与实际情况相匹配的材料。柔性开口环的厚度为圆柱壳体结构的十分之一，且多于1毫米按照1毫米取值；柔性开口环的轴向长度长于压电纤维复合材料的轴向长度前后各2毫米。柔性开口环的开口角度不大于5度。
[0037] 柔性开口环压紧在目标圆柱壳体的外侧,产生过盈装配的效果，二者结合面处半径的差异将在圆柱壳体和柔性开口圆环之间产生正压力，其作用是提供静摩擦力，使弹性波经过时圆柱壳体与柔性开口环不产生相对滑移，这使得柔性开口环的变形与目标结构的变形一致。
[0038] 压电纤维复合材料在柔性开口环上的分布方式，根据不同的目标弹性波分别设定,为换能器提供机电耦合能力,电路网络将压电纤维复合材料连接起来，达到对弹性波的选择性机电耦合。目标弹性波包括：拉压波，弯曲波以及扭转波。各种弹性波在目标频率处的轴向波长、周波数、机电耦合系数等特征数据由现有的数值工具计算，见文献[5]：Fan,Y.,Zhou,C.W.,Laine,J.P.,Ichchou,M.and Li,L.基于元胞自由模态的波有限元减缩计算格式,Computers&Structures,2018,197,42–57.和文献[6]：Fan,Y.,Collet,M.,Ichchou,M.,Li,L.,Bareille,O.and Dimitrijevic,Z.用于压电周期结构
波动特性和强迫响应预测的改进波有限元方法,Chinese Journal of Aeronautics,2017,30(1),75–87.[0039] 如图3所示，针对目标弹性波是圆柱壳体中的拉压波，压电纤维复合材料的极化方向为径向，电极(电场)方向为径向。压电纤维复合材料的轴向长度为拉压波在测试频段中心频率处轴向波长的一半，压电纤维复合材料沿周向不分段，在两个分半柔性开口环上各粘贴一整片，用E-20HP环氧树脂AB胶；粘贴在两个分半柔性开口环上的压电复合材料并联连接，即内径处的电极连接在一起并接地，外径处的电极连接在一起作为换能器的输出端。
[0040] 或者在两个分半柔性开口环的翻边上各自开有一个通孔，压电纤维复合材料选用穿过通孔的完整一个环片。
[0041] 拉压波的变形主要沿轴向，主要应力是沿轴向的正应力，利用压电纤维复合材料的1-3耦合模式，即径向极化，径向布置电极，径向变形是由于泊松比引起的一个常数，不会沿周向变化，因此沿用设计原理，最适合的压电材料分布方式就是“满铺”，即p(θ)＝1；其中p(θ)电极的轴向长度沿圆周方向的分布函数；使得所有的弯曲波所产生的电荷都会相互抵消为零，只有拉压波产生的电荷才能在电路中积累。这一结论同样使用了文献[5]和文献[6]中的工具进行了验证。
[0042] 针对目标弹性波是圆柱壳体中的弯曲波，压电纤维复合材料的极化方向为径向，电极(电场)方向为径向。压电纤维复合材料的轴向长度为弯曲波在测试频段中心频率处轴向波长的一半，压电纤维复合材料的周向长度为柔性开口环的周长与2倍周波数的比值；压电纤维复合材料沿周向分为均匀的数段，总分段数与弯曲波的周波数相同，每一段的覆盖角度为180除以分段数。各压电复合材料段并联连接，即内径处的电极连接在一起并接地，外径处的电极连接在一起作为换能器的输出端。
[0043] 使用上述分段方式针对周波数N＝4和N＝6的弯曲波布置和连接压电材料后，[0044] 这种波模态换能器如图4和图5所示，其对弹性波的选择特性同样经过了数值工具的验证。
[0045] 使用上述分段方式针对的弯曲波布置和连接压电材料后，这种波模态换能器如图5所示。其对弹性波的选择特性同样经过了数值工具的验证。
[0046] 弯曲波沿径向的变形沿圆周方向呈“周波数”形式；即：ur(θ)＝Asin(Nθ)，其中A为弯曲波的幅值；N为周波数，主要应力是沿轴向的正应力，可利用压电材料的1-3耦合模式，即径向极化，径向布置电极。假设粘贴压电材料后这一规律仍近似成立，则压电片上积累的电荷为： 由上述公式可知，要使得换能器只与周波数N＝i的弯曲波产生耦合，则p(θ)必须使得Vi≠0并且VN≠i＝0。理论上，满足这一要求的函数应该是p(θ)＝sin(iθ)，但这意味着电极的宽度也要沿轴向变化，难以加工。本实施例中用一个近似的方法实现，即分段布置压电纤维复合材料，每段压电纤维复合材料的电极宽度与压电纤维复合材料的自身宽度一致；具体地，电极的轴向长度沿圆周方向的分布函数p(θ)为：
[0047]
[0048] i为周波数；
[0049] 这个函数中的主要周向“空间频率”成分是sin(iθ)，因此仍然能将机电耦合特性集中在周波数N＝i的弯曲波上，但实现更为简单。使用文献[5]和文献[6]中的数值工具对一个半径为0.6米的圆柱壳作了分析，使用上述分段方式针对N＝4的弯曲波布置和连接压电材料后，表征各弹性波机电耦合能力的“波机电耦合系数”结果如图6所示，可以看到只有周波数为4的弯曲波(B4)在180-400Hz的频带范围内具有显著的机电耦合效应，WEMCF指“波机电耦合系数”，用来表征弹性波的机电耦合强度，这是由于采用上述方式离散地铺设和连接压电材料后，可见只有周波数为4的弯曲波与该换能器有耦合，才能在电路中产生不会相互抵消的电荷，该结果证明了本发明原理的成立。
[0050] 针对目标弹性波是圆柱壳体中的扭转波，如图7所示，压电纤维复合材料的极化方向为周向，电极(电场)方向为轴向。压电纤维复合材料的轴向长度为扭转波在测试频段中心频率处波长的一半，压电纤维复合材料沿周向不分段，即在分半的柔性开口环上是一个整片。在两个分半柔性开口环的压电复合材料并联连接，即一侧处的电极连接在一起并接地，另一侧处的电极连接在一起作为换能器的输出端。
[0051] 扭转波的变形主要沿周向，主要应力是沿周向的切应力，利用压电纤维复合材料的耦合与拉压波以及弯曲波不同，为15模式，即周向极化，轴向布置电极。压电纤维复合材料分布方式满足由于所利用的压电本构关系中的耦合模式本质上不同，因此拉压和弯曲波产生的电荷不可能在这种方式布置的电路中积累，此时最适合的压电材料分布方式也是“满铺”，即p(θ)＝1，尽可能多的增加与扭转波的及电耦合能力。这一结论同样使用了文献[5]和文献[6]中的工具进行了验证。
