CN101911728B - 声换能器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声换能器，一组电极阵列围绕标称中心点布置并且包含一组沿圆周设置的电极元件。压电材料位于共用电极与和所述电极元件之间。

Description

声换能器

技术领域

本发明涉及一种声换能器(acoustic transducer)。

背景技术

任何结构都可能在使用过程中遭受导致该结构最终失效的损伤。在很多情况下，对损伤进行监控是很重要的，以便能够修复损伤或者能在发生任何功能恶化之前更换结构。很多此类结构被建筑并应用于航空、航天、海运、或者汽车行业。

当结构内发生损伤时，受损区域会发出通过结构材料传导的声发射(AE，acoustic emission)。设置声发射探测和监控系统形式的声学损伤监控系统，以便探测结构发生损伤时的声发射。这类系统应用于无损探伤(NDT)系统中，例如结构健康监控(SHM)系统。在此类系统中，附设于结构中已知位置的传感器探测上述声发射。声发射到达每个传感器的飞行时间(ToF)被记录下来。接着可以针对来自已知位置的接收传感器的给定AE使用ToF的三角计算法(triangulate)来确定AE的位置。这种探测AE的技术称为无源声学监控系统。另一类型的声学监控系统称为有源系统。在此类有源系统中，附设于给定结构的换能器产生询问声音信号，并且对任何接收到的回声进行分析以确认并量化缺陷或者损伤。

在主要由板材构成的机械机构中，例如飞机元件或部件，声波形成被称为兰姆波(Lamb wave)的特殊类型的板波(plate wave)。在无源系统中声波在损伤发生时由受损部位发出，而在有源系统中声波由换能器发出或产生。兰姆波具有多种不同的振荡型式或模式(oscillatory pattern or mode，振荡型)，这种振荡型式或模式能够保持它们的形状并根据它们的分散状态以稳态或非稳态方式传播。结构中机械形式的变化(例如一种材料与另一种材料之间的边界)，或者给定材料横截面厚度的变化，会影响兰姆波信号。例如，材料接头可能会延缓兰姆波信号，削减它的振幅或改变它的模式。不同的波形(wave mode)可能不同地受这种结构变化的影响。例如，一种兰姆波模式可能由于沿着波传播路径上的给定结构变化而衰减为另外一种模式。实际上，一些波形的衰减可能会非常明显以至于给定的波形不能以可探测振幅到达给定的传感器位置。兰姆波在所有方向传播，但对于在其中传播的结构的传播方向上的硬度和厚度敏感。因此，给定的结构可能在特定方向上促进兰姆波的传播。硬度与厚度可能取决于结构内的特性。

每个兰姆波模式通常均具有特征频率和波长范围(wavelengthband，波长波段)。所有模式都可能无法到达无源或有源监控系统的传感器所在的位置。因此一个问题在于使位于给定位置的兰姆波发生或感应换能器的频率与可能在该位置处探测到的频段(frequency band)相匹配。

发明内容

本发明的实施例提供了一种声换能器，包括：

共用电极；

压电层，在一侧上设置有所述共用电极；

一组(a set of)第一电极阵列，设置在压电层的与共用电极相对的一侧上，每个第一电极阵列绕一标称中心点径向设置并且包含一组沿圆周设置的电极元件，第一电极阵列布置成使得能够从给定的第一电极阵列中选择出一群(a group of)或多群电极元件，以将给定的第一电极阵列调谐到预定的频段。

上述一组第一电极阵列的每一个均可以在预定的径向方向上布置，以将阵列调谐成具有对应方向性的信号。第一电极阵列可以布置成使得能够从给定的第一电极阵列中选择出一群或多群电极元件，以便将给定的第一电极阵列调谐到预定的频段，并确定这些群相对于标称中心点的位置。给定第一电极阵列的这些电极元件可以以共同的圆周尺寸布置。给定第一电极阵列的这些电极元件可以以给定电极元件到标称中心点的距离成正比的沿圆周尺寸布置。

该换能器还可以包括由径向设置的电极元件组成的、按圆周设置的第二阵列。该换能器还可以包括以标称中心点为中心的第三阵列。第三阵列可以包括一个或多个径向隔开的同心元件。该换能器可布置成在10kHz到20MHz的频率范围内运行。每个电极元件可以用电线连接到用于处理由换能器接收的信号的处理器。

附图说明

现在将参考附图仅以实例的方式来描述本发明的实施例，附图中：

图1是地面上的飞机的侧视图；

图2是图1的飞机中的声学监控系统的示意图；

图3是图2中的换能器的平面图；

图4是图2的声学监控系统中所用的换能器的横截面图；

图5和图6是根据其它实施例布置的换能器的平面图。

具体实施方式

参照图1，飞机101包括机身102和通过整流罩104流线型地装配于机身102的一组机翼103。飞机101还包括一无源声学监控系统105，该声学监控系统布置成经由附着于飞机101结构上的声发射传感器(图1中未显示)形式的一组换能器来探测由飞机101的结构损伤所引起的声发射。布置这些换能器以探测飞机结构发生损伤时所发射的兰姆波的传播，以便能够识别飞机结构中需要检查或修复的区域。图2示出了机身102的截面，在该图中传感器201、202、203、204形式的换能器以网格的样式附着于距参考点205的已知位置处。每个传感器201、202、203、204均连接到声学监控系统105。

如果发生损伤，例如在机身上的位置206处，则从位置206发出声发射并通过机身朝向传感器201、202、203、204传播。由于AE与传感器之间的路径长度不同，并且可能有不同的群速度(groupvelocity)，声发射将在不同的时间被每个传感器201、202、203、204检测到。在图2的实例中，声发射最先被传感器A 201检测到，接下来是传感器B 202、传感器C 203和传感器D 204。声学监控系统105布置成记录一组声发射的飞行时间(ToF)，并将记录的时间作为一组相对测量时间，即，作为传感器201、202、203、204中的任一个相对于声发射的首次探测的测量时间。换言之，传感器A的相对时间为0，而其他传感器B、C、D的相对时间是传感器A处的声发射探测与其他传感器B、C、D处的随后的接收之间的时间差。随后对飞行时间差进行三角测量计算，以确定AE的位置。

正如上面所提到的，兰姆波的不同模式可能不同地受结构变化的影响。例如，一种模式可能由于沿着波路径的给定的结构变化而不同地衰减至另一种波形。这种结构变化对于声发射的影响可以通过已知的实验或经验衰减数据以及由频散函数或曲线(dispersionfunction or curve)所表达的相关材料的理论频散数据进行计算。这种频散曲线详细描述了可用的波形和它们的速度与波长(灵敏度)，并被用于确定在给定点处应该是可探测的波模式。在此实施方式中，利用频散曲线来选则每个传感器201、202、203、204的频率探测特性。也就是说，利用频散曲线来确定哪一特定的波模式在给定位置上具有最大振幅，以使传感器201、202、203、204在这些位置处能够被调谐成正确的探测频率，以探测这些特定的波模式。频散曲线还提供每一波模式的群与相速度，以及兰姆波对于损伤尺寸的敏感度的指示。频散曲线可以通过分析法或实验法确定。

参见图3，每个传感器201在平面上基本为圆形并且包括一组16个的第一电极阵列301，这些第一电极阵列围绕传感器的标称中心点布置。每个第一电极阵列301均围绕标称中心点302均匀地径向设置并包括一组沿圆周设置的电极元件，每个电极元件均具有共同的径向尺寸。也就是说，每一第一电极阵列都包含等间距的电极元件分布带。在此实施方式中，传感器201还包括另一组16个的第二电极阵列303，这些第二电极阵列围绕标称中心点302均匀地径向设置，并介于相应的第一电极阵列301之间。每个第二电极阵列303均包括一组沿圆周设置的第二电极元件，这些第二电极元件的径向尺寸正好与给定电极元件距传感器标称中心点的径向间隔成正比。在此实施方式中，第一阵列301和第二阵列303的每一个均包含36个元件。第一电极阵列和第二电极阵列的每一个均提供声发射的方向探测。因此，仅需要来自两个传感器的信号就能声发射源的位置206进行三角计算。

图4示出了传感器201的部分横截面，其从中心点302起、通过其中一个第一电极阵列301的12个电极元件。第一电极阵列301的电极元件401布置在平面压电基板的一个表面上，该基板为锆钛酸铅(压电转换)晶片402的形式。共用电极403设置在晶片402的与设置有第一电极阵列301和第二电极阵列302的一面相对的一面上。电极301、303和403全部以导线连接到声学监控系统105，接收到的信号在此进行分析。当传感器201附着于表面时，表面中的机械波激励PZT晶片402。这种激励成比例地转化为晶片402中的电势，此电势随后经由电极阵列301、303和共用电极403被声学监控系统105探测到。每个电极元件401探测到的电势取决于给定电极元件401的径向宽度、PZT晶片402的厚度以及给定声发射在给定电极元件401位置处的振幅和频率。

正如上面所提到的，兰姆波包含一组波模式，每一波模式具有标志频率或波长范围和传播速度。电极阵列301中的阵列元件401的布置使得能够将阵列选择性地调谐至给定的波长。也就是说，从电极阵列301中选出合适的阵列元件401，以便提供具有与待探测的波模式的频率和波长相匹配的运行频率和波长的窄带换能器，从而减少对不必要的波模式的探测。例如，参照图4，从图4所示的左侧选择第一和第二电极元件，将会把电极阵列301调谐成探测由以下等式定义的预定波长λ1：

λ1＝n·λX

这里，λ1与兰姆波模式X的波长(λX)成正比，再乘以系数n，其中n为整数。另外，可以同时选择波长λ1，以将电极阵列301调谐成排除由以下等式定义的预定兰姆波模式Y：

λ1＝(m/h)·λY

这里，λ1与所排除的兰姆波模式Y的波长(λY)成正比，并乘以系数m/h，其中m是整数并且h是理想值为2的变量。当选择λ1使得h＝2时，模式Y将完全被排除而不会被探测到。h值与理想值2之间的差距越大，则将被探测的模式Y的振幅的比例越大。

例如，给定两种兰姆波模式X和Y，波长分别为3mm和42mm。为移除波形Y，选择两电极元件之间的距离为λ1＝21mm，该波长7倍于模式X的波长又是模式Y波长的一半。也就是说，n＝7，m＝1并且h＝2。如果选择两电极元件之间的距离为λ1＝63mm，如果不计兰姆波模式的衰减的话，将获得同样的结果。再另一个实例中，给定波长分别为4mm和22.5mm的两个模式X和Y，此时选择两个(或更多)电极元件之间的距离为λ1＝12mm，该波长是λX的3倍并且大约是1/2·λY。也就是说，n＝3，m＝1并且h＝1.875。因此只有波形X将被接收而波形Y将大部分被排除，但不是全部，因为h不等于2。可替换地，λ1＝22.5mm的电极元件长度将是15·1/2·λX(n非整数)并且是1·λY(m＝2并且h＝2)，因此将传感器调谐成探测模式Y而排除模式X。也就是说，第一或第二电极阵列元件组合的物理范围被布置成与波长λ1相匹配或接近。同样，从左侧选择第一到第三或者第一到第九电极元件401将导致电极阵列被调谐成接收波长λ2和λ3，如图4所示。

可以选择间隔的元件群，同时使波长与每个这种所选群的中心之间的距离对应。例如，从左侧选择第一、第二和第三电极元件为一群并从左侧选择第五、第六和第七电极元件为第二群，这将使得电极阵列被调谐到波长λ4。波长λ4与两个所选电极元件群的中心之间的物理距离对应。因此，利用传感器201所附着的材料的相关频散曲线，可以确定给定附着点的相关模式，并且因此调谐传感器201。确定复合材料中的频散曲线的细节请参见Sebastien Grondel，Christophe Paget，Christophe Delebarre和Jamal Assaad的“Design ofoptimal configuration for generating A0 Lamb mode in a compositeplate using piezoceramic transducers”中的描述，文见Journal of theAcoustical Society of America，112(1)，2002年7月。在此实施方式中，由声学监控系统105通过恰当地选择和对来自传感器201的电极元件401的信号的处理来进行调谐。

正如本领域普通技术人员所知，当调谐电极阵列301时，可以选择任何一种成群电极元件401的组合。例如第五到第二十电极元件可以用于给定波长，因而使得兰姆波的接收能够相对于中心点302被转移。在此实施方式中，具有16个径向间隔开的电极阵列301，使得能够实现传感器的方向调谐，每一电极阵列301被调谐至预定的频率或波长。定向的兰姆波探测能够使传感器聚焦于潜在的损伤源上或者与一个或多个其他类似的传感器一起使用，以对AE源的位置进行三角测量计算。

在此实施方式中，第二电极阵列303被布置成以与第一电极阵列301相同的方式被调谐。具有均匀宽度电极元件401的每一第一电极阵列301各自聚焦于具有狭窄探测范围的具体单一方向上。具有宽度径向增加的电极元件的每一第二电极阵列303均较少得到聚焦，它们具有离散的探测范围。离散的探测范围提供更复杂但更丰富的数据来用以分析。也就是说，第二电极阵列303可以提供更大的AE探测范围，并有可能提供更精确地损伤位置数据。

在另一实施方式中，图3的传感器201用在声学检查系统形式的有源声学监控系统中，在此系统中利用第一电极阵列301来产生上述所选频率的定向(guided，导向)兰姆波。也可以通过驱动(power)一个或多个适当定向的第一电极阵列301来选择所产生的波的方向。随后利用第二电极阵列303来探测所产生的兰姆波在损伤位置产生的回声或反射。

在图5所示的另一实施方式中，传感器501还包括位于换能器501中心点503处的中央第三电极阵列502。第三电极阵列502包括中心位于中央圆盘电极元件上的两个同心的环电极元件。同心环为可选择的，以使第三电极阵列502能被用作多重窄带换能器(narrow band transducer)。第三电极阵列503的共振频率由所选择的环形电极元件群的全径(overall diameter)来决定。第三电极阵列503由通常被Hanning或Hamming滤波器开窗(windowed)的适当信号驱动以便发出兰姆波。可以使用第三电极阵列503来产生导向兰姆波，以使换能器501能够被用作用于声学检查系统中的脉冲/回声换能器。这种声学检查系统采用无损探伤技术来进行诸如飞机结构这类复杂装配体中的损伤探测。

在图6所示的另一实施方式中，传感器601还包括由径向设置的电极元件组成的第四电极阵列602。该第四电极元件阵列具有180个电极元件，每个电极元件均用来探测由第三电极阵列503发出的并由受监控结构中的损伤部位所反射的信号的成分。探测到反射信号的电极元件的径向位置指明了损伤位置相对于传感器601的位置的方向。因此传感器601既适用于有源声学监控系统也适用于无源声学监控系统，以用来提供方向性信号源位置。

在另一实施方式中，换能器仅包含一组用于可调谐兰姆波探测或产生的平行电极阵列。在另一实施方式中，换能器仅包含一组用于可调谐兰姆波探测或产生的离散电极阵列。正如本领域普通技术人员所知，平行电极阵列比离散电极阵列拥有更高的效能但具有更小的物理覆盖范围，而离散电极阵列消耗更多动力但具有更大的物理覆盖范围。在另一实施方式中，换能器仅包含上述第三和第四电极阵列形式的电极阵列。

在另一实施方式中，换能器本身可用于设定程序中以确定所需的调谐频率，而不需要计算理论频散曲线。例如，换能器可于它的工作表面上附着，然后利用导向兰姆波技术进行激励。由此发生的由换能器所产生的信号随后使用经典技术(例如二维快速傅里叶变换(2D FFT)技术)来分析，以确定包含兰姆波模式振幅的频散曲线，因而能够针对给定波形的操作性探测来选择换能器频率。换能器中的每一阵列都可以用来确定换能器覆盖区内的相应方向和物理位置中的频散曲线。通常，使用32个换能器元件301来提供结果。但是，通过使用元件两侧中任一侧上的阵列503和504，阵列301中的元件数量可减少至16个。可替换地，保持阵列301的元件数量为32个将提高频散曲线的数据精度。

在另一实施方式中，使用离散阵列从低频结构振动(例如空气动力或引擎振动/噪声)中获取能量。在另一实施方式中，这种动力获取传感器的阵列被布置成在彼此之间无线地传递从单一动力源获得的能量。能量源可以是传感器本身。在另一实施方式中，换能器被用于从高频振动中获取能量，因而使得给定的被驱动换能器能够经由兰姆波向周围的换能器无线地提供能量。

在另一实施方式中，利用离散或平行的电极阵列来传递在兰姆波中编码的数据，以便在传感器之间的提供通信。这种通信可以穿过这些传感器的网络来传送数据或者可以用于在传感器之间的传递控制信息。在另一实施方式中，使用平行或离散的电极阵列来产生高级或复杂的兰姆波，以用来进行高灵敏度或高复杂度的声学损伤定位。

在此实施方式中，换能器包括具有30个电极元件的第一径向电极阵列和第二径向电极阵列或包括三个元件的第三中央电极阵列。正如本领域普通技术人员所知，更少的元件将降低电极阵列的可能的频率分辨率，而更多数量的电极元件将提高电极阵列的可能的频率分辨率。同理，间隔更紧密或者径向上更窄的电极元件将提高电极阵列的可能的频率分辨率，而间隔更大或者径向上更宽的电极元件将降低电极阵列的可能的频率分辨率。本发明的实施例可以设置有不同的元件尺寸或间隔的阵列，因而提供具有有着不同的频率或波长范围和分辨率的多个阵列的换能器。这些阵列可以具有不均匀的电极元件尺寸或间隔，以便在给定范围内提供非线性的频率分辨率。

正如本领域普通技术人员所知，换能器的总体尺寸由很多因素决定。元件之间的最大距离由需要被排除或过滤出以避免检测或产生的最大波长兰姆波模式的波长的半波长控制。另外，此距离最好是需要探测或产生的兰姆波模式的波长的若干倍(multiple)。

正如本领域普通技术人员所知，换能器可以按任何合适的样式布置在其所应用的结构上。而且，根据它们的应用，具有前述不同功能的换能器的任何组合都可以应用于协作组合中。例如，一种发射换能器和一个或多个接收换能器的组合可以适用于某些应用。而且，换能器不一定为圆形而是可以以任意合适的形状排列，以提供所需的频率范围、分辨率和方向性。

正如本领域普通技术人员所知，尽管本发明的上述实施方式以应用到飞机机身形式的飞机主要结构元件上为例进行了说明，但是本发明同样可应用于飞机的其他元件，诸如门、引擎、控制面板或起落架形式的次要结构。

正如本领域普通技术人员所知，传感器的制造可应用任意项适当的技术，例如平面影印或者功能印刷。正如本领域普通技术人员所知，传感器可由任何适当的压电材料(例如PZT，聚偏氟乙烯(PVDF))形成，并且可由复合层或柱型压电材料形成。正如本领域普通技术人员所知，电极阵列的径向位置可以布置成与包括复合材料的结构中的纤维方向一致。

正如本领域普通技术人员所知，实施本发明一部分或者全部的设备可以为具有用以提供本发明实施方式的一部分或者全部的软件的通用装置。该装置可以为单一装置或者一组装置，并且软件可以为单一程序或者一组程序。另外，用以实施本发明的任何或者全部软件可以通过任何适当的传输或存储方式进行通信，以使软件能够被载入到一个或多个装置上。

虽然本发明已经通过对实施方式的描述进行了说明，并且对所述实施方式进行了大量的细节描述，但申请人的目的并非要将所附权利要求的范围约束或以任何方式限制到这些细节上。其他的优点和修改对本领域技术人员将很显然。因此，在更广泛的方面中，本发明不受代表性的装置和方法、所示及所述说明的实例的具体细节的限制。相应地，在不背离本申请人的总体发明构思的精神或范围的前提下，可以对这些细节进行改变。

Claims (10)

1.一种声换能器，包括：

共用电极；

压电基板，具有相对的第一侧和第二侧，所述共用电极设置在所述压电基板的所述第一侧上；

多个第一电极阵列，设置在所述压电基板的所述第二侧上，每个所述第一电极阵列包括沿圆周设置并且相对于标称中心点径向隔开的多个电极元件，所述第一电极阵列被布置成使得能够从给定的第一电极阵列中选出一组或多组所述电极元件，以便将所述第一电极阵列调谐至预定的频段，并且

所述第一电极阵列中的每个均相对于所述标称中心点布置在预定的径向方向中，以便将所述第一电极阵列中的每个调谐成具有相应的方向性的信号。

2.根据权利要求1所述的声换能器，其特征在于，所述第一电极阵列被布置成能够从给定的第一电极阵列中选出一组或多组所述电极元件，以便将所述给定的第一电极阵列调谐至预定的频段，并确定所述组相对于所述标称中心点的位置。

3.根据权利要求1所述的声换能器，其特征在于，用于所述多个第一电极阵列中的第一电极阵列的所述电极元件以共同的圆周尺寸布置。

4.根据权利要求1所述的声换能器，其特征在于，用于所述第一电极阵列中的所述电极元件，按照与给定电极元件离所述标称中心点的距离成比例的圆周尺寸分布。

5.根据权利要求1所述的声换能器，其特征在于，所述换能器还包括由径向设置的电极元件组成的沿圆周设置的第二阵列。

6.根据权利要求1所述的声换能器，其特征在于，所述换能器还包括以所述标称中心点为中心的第三阵列。

7.根据权利要求6所述的声换能器，其特征在于，所述第三阵列包含一个或多个径向间隔开的同心元件。

8.根据权利要求1所述的声换能器，其特征在于，所述换能器被布置成在10kHz到20MHz的频率范围内运行。

9.根据权利要求1所述的声换能器，其特征在于，所述声换能器设置成利用导向的兰姆波。

10.根据前述权利要求中任一项所述的声换能器，其特征在于，所述每个电极元件以导线连接到用于处理由所述换能器接收到的信号的处理器。

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