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　　近年來(lái)結構健康監測(SHM)在現代工業(yè)中變得越來(lái)越重要，對于管道、板殼等大型結構來(lái)說(shuō)，超聲導波監測方法具有傳播距離長(cháng)、定位準確等獨有的優(yōu)勢。然而，目前普遍采用的Lamb導波由于多模態(tài)、頻散等問(wèn)題，在實(shí)際應用中受到諸多限制。相比之下，零階SH導波是完全非頻散的，而且只有一個(gè)位移分量，在計算分析和信號處理方面具有明顯優(yōu)勢，但純的SH波很難用壓電換能器激勵出來(lái)。

 

　　早在上世紀70年代末，美國學(xué)者Thompson等已經(jīng)采用電磁超聲換能器(EMAT)在平板中激勵出較純的SH波。但EMAT的最大問(wèn)題是能量轉換效率太低，因此必須采用大功率的發(fā)射裝置和信號放大接收電路才能工作，其檢測距離受到限制，難以發(fā)揮導波長(cháng)距離檢測的優(yōu)勢，而且設備笨重無(wú)法用于結構健康監測(SHM)。無(wú)損檢測領(lǐng)域領(lǐng)軍學(xué)者、英國皇家兩院院士、帝國理工學(xué)院的Peter Cawley教授在其論文(IEEE.UFFC.,2011)中指出：“平板中的SH導波和管道中的扭轉導波難以用常規的壓電換能器激勵”。電磁超聲領(lǐng)域領(lǐng)軍學(xué)者、日本大阪大學(xué)Ogi教授在論文(NDT&E International.,2012)中評論:“當前SH波的研究主要集中在理論和數值模擬，原因在于SH波難以用壓電換能器激勵”。因此，采用壓電換能器激勵出純的SH波一直是該領(lǐng)域的一個(gè)難題，這嚴重制約了SH波基礎研究和應用研究的進(jìn)展。

 

　　李法新課題組從2015年開(kāi)始從事SH波激勵方法的研究，由于在鐵電壓電領(lǐng)域的多年積累，在三年多時(shí)間內就取得了突破性進(jìn)展，先后研制出三代剪切型SH波壓電換能器，可方便地用于SH波的基礎研究及檢測監測應用研究。

 

第一代：面內剪切d36型及合成d36型SH波壓電換能器

 

　　常規的PZT壓電陶瓷由于極化后為橫觀(guān)各向同性，不存在d36面內剪切的變形模式。課題組通過(guò)應力誘導鐵彈疇變，首次在PZT陶瓷中開(kāi)發(fā)出d36面內剪切的變形模式(APL2015)(見(jiàn)圖2左)。采用d36型PZT陶瓷可以激勵出SH波(Miaoet al,JAP 2016)，但同時(shí)也激勵出Lamb波。他們改進(jìn)設計，采用二維反向極化的方法制備了合成d36型壓電陶瓷(Li,Miao,JAP 2016)(見(jiàn)圖2中)，它激勵SH0波的效果要好一些，但仍然無(wú)法激勵出純的SH0波。他們提出對厚度極化PZT陶瓷分割電極、施加二維反向電場(chǎng)的方法(見(jiàn)圖2右)，可在較窄頻帶內激勵和接收SH0波(Huanet al,Ultrasonics 2018)。這種方法可采用商用的厚度極化PZT，適合實(shí)驗室研究，但因引線(xiàn)麻煩，不適合大范圍應用。

 

第二代：面內剪切d24型SH波壓電換能器

 

　　2016年他們提出了新型面內剪切d24模式(圖3左)，采用d24型壓電換能器在平板中激勵出單模態(tài)非頻散的零階SH波，同時(shí)還可以有選擇性地接收SH波(濾掉Lamb波)。這項工作于2016年11月發(fā)表在領(lǐng)域權威期刊Smart Mater Struct，并入選該期刊2016年度23篇亮點(diǎn)論文(Highlights)之一(全年540余篇論文)。他們進(jìn)而采用一對尺寸優(yōu)化的d24型壓電片(圖3中)，制備出雙向聚焦型SH波換能器，適于研究SH波的基本性質(zhì)和激勵大口徑管道中的周向SH導波(Miao et al,Ultrasonics 2018)。同時(shí)，他們采用指環(huán)形d24壓電片陣列(圖3右)，在圓管中激勵出非頻散的零階扭轉波T(0,1)(Miao et al,Smart Mater Struct2017)，為長(cháng)距離管道的結構健康監測提供了方便可行的技術(shù)方案。

 

第三代：全向型SH波壓電換能器

 

　　前面的第一代和第二代SH波換能器均是方向型(十字指向)或雙向(聚焦)型，而在板殼結構檢測/監測中需要全向型SH波換能器。課題組采用d24型壓電片平面圓環(huán)陣列合成周向極化(圖4左)，實(shí)現了全向型的SH波換能器(Miao et al,Ultrasonics 2017)，其各方向靈敏度偏差約為15%，可接受但不理想。他們進(jìn)一步提出基于新型厚度極化、厚度剪切d15模式壓電圓環(huán)12等分的全向型SH波換能器(Huanet al,Smart Mater Struct 2017)(見(jiàn)圖4中)，該換能器信噪比高(~24dB)、均勻性好(靈敏度偏差6-7%)，已經(jīng)在稀疏陣列結構健康監測中得到應用驗證。相比于基于Lamb波的結構健康監測系統，基于非頻散SH0導波的監測系統具有缺陷定位精度高、信號處理簡(jiǎn)單、可變頻工作等明顯優(yōu)勢。然而，這種12陣元的換能器在大規模應用中還是不太方便。

 

　　最新發(fā)表的基于雙壓電半圓環(huán)的全向型SH波換能器，結構簡(jiǎn)單，性能優(yōu)良，徹底解決了SH波用于結構健康監測中的技術(shù)問(wèn)題?？梢灶A見(jiàn)在不久的將來(lái)，導波檢測/監測領(lǐng)域的研究格局將發(fā)生改變，基于SH波的檢測/監測方法將得到迅速發(fā)展。而且，這種雙半圓環(huán)的SH波壓電換能器同時(shí)還是一個(gè)完美的扭轉振動(dòng)換能器，可以在圓棒或圓管中激勵出非頻散的扭轉導波T(0,1)，因此必將在超聲和振動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域得到廣泛應用。

 

　　上述發(fā)展的SH波換能器已經(jīng)在美國Tufts大學(xué)、北京理工大學(xué)、廈門(mén)大學(xué)、大連理工大學(xué)等單位得到應用，反響很好。相關(guān)工作先后獲得第一屆和第二屆軌道交通結構健康監測國際研討會(huì )一等獎(2016、2018,均唯一)、中國鐵道學(xué)會(huì )最佳論文一等獎(2019)等獎項。