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本技术方案涉及超声无损检测领域,推出一种角焊缝特征导波换能器及其优化设计方法。该换能器包含至少一个基本单元,这些单元固定于待检测角焊缝表面,每个基本单元均能激发角焊缝特征导波,实现高效检测。
背景技术
焊接是大型钢结构中最常用的连接形式,其中角焊作为焊接工艺的一种,广泛应用于连接两直角或近直角的钢结构部件。然而,角焊缝在接头处的截面变化大,容易成为应力集中区域,以正交异性钢桥面板为例,在生产和服役过程中,角焊缝会出现不同程度的缺陷,如气孔、夹杂、裂纹等。这些缺陷一旦形成,将可能导致结构的突然失效,甚至严重影响整个钢结构的服役安全。因此,对角焊缝进行及时、有效的损伤检测是非常必要的。传统的检测方法如体波检测、磁粉检测等需要逐点移动进行检测,尤其在检测桥面板这类长距离角焊缝结构时,效率极低,并且无法实现长期的原位在线监测。现有的这些技术手段难以满足现代钢结构对高效、精准检测的需求。有研究表明,存在于角焊缝中的特征导波能够沿着焊缝长距离传播,是解决该问题的一种很有潜力的方法。这种角焊缝特征导波具有类表面波特征,其能量集中于焊缝结构表面,可以对浅层缺陷进行识别。然而,在实际应用中,将常规体波换能器直接置于焊缝表面,往往会在厚度方向上产生显著的垂向体波,严重影响信号的信噪比。
针对上述现有技术的缺点,现亟需一种激励角焊缝特征导波的换能器及其优化设计方法。
实现思路
本技术的目的在于提供一种激励角焊缝特征导波的换能器及其优化设计方法,以改善上述问题。为了实现上述目的,本技术采取的技术方案如下:
第一方面,本文提供了激励角焊缝特征导波的换能器,包括至少一个基本单元,所有所述基本单元固定设置在待检测的角焊缝表面,每个所述基本单元包括第一压电换能板、第二压电换能板、连接板和电极,所述第一压电换能板和所述第二压电换能板对称设置在所述连接板的两端部,所述第一压电换能板和所述第二压电换能板均为尺寸相同的长方体形状,所述电极分别设置在所述第一压电换能板和所述第二压电换能板的上、下表面。
进一步地,记三维空间坐标轴中换能板的长度方向为x方向,宽度方向为y方向,厚度方向为z方向,所述第一压电换能板的极化方向沿y轴的负方向,所述第二压电换能板的极化方向沿y轴的正方向。
进一步地,所述第一压电换能板和所述第二压电换能板的长度、宽度和高度尺寸记为l×w×h,每个所述基本单元中所述第一压电换能板和所述第二压电换能板的中心间距记为Δd,换能板长度l满足条件宽度w满足条件w<λ,中心间距Δd满足条件w≤Δd<λ,其中d为待检测角焊缝的宽度,λ为特征导波的波长,c为特征导波在焊缝结构中的波速,f为产生特征导波的振动频率。
进一步地,所述第一压电换能板和所述第二压电换能板均具有厚度剪切压电系数d15
,所述厚度剪切压电系数d15
表示压电材料受到剪切应力作用下产生的电荷密度与施加的应力之间的比例关系,第1个下标“1”代表电荷面的方向,表示产生电荷的表面垂直于x轴,第2个下标“5”代表施加力的方向,表示在xz平面内施加剪切力。
进一步地,所述连接板的材料为环氧树脂。
第二方面,本文提供了一种激励角焊缝特征导波的换能器的优化设计方法,包括: