非周期性P(VDF-TrFE)压电换能器的优化研究，以实现高纯度、选择性地转换兰姆波：分析方法、数值模拟及实验验证

《MECHANICAL SYSTEMS AND SIGNAL PROCESSING》：Optimization of non-periodic P(VDF-TrFE) piezoelectric transducers for high-purity selective transduction of Lamb waves: Analytical, numerical, and experimental analysis

　　

郝东|皮埃尔·马格里特|马克·雷比拉|米卡埃尔·普鲁沃斯特|纳齐赫·梅赫巴尔

摘要

表面贴装的聚合物压电传感器在导波结构健康监测（SHM）中提供了出色的设计灵活性，然而用于模式选择性兰姆波激励的宽带方法仍然有限。在这项工作中，我们通过结合分析建模、数值优化和实验，研究了非周期性环形P(VDF-TrFE)传感器在兰姆波转换方面的高选择性。首先将线力模型扩展到同心环形电极，并通过全耦合有限元仿真和宽带测量进行了验证。该模型能够准确捕捉整体的调谐行为，并预测两种基本模式的峰值频率和零频，适用于快速的设计优化。基于该模型，我们开发了一个宽带优化框架，通过在整个音调突发带宽内最小化不需要的模式的波包能量与所需模式的波包能量来实现高选择性。优化后的传感器具有紧凑的几何结构、少量的电极以及单一的驱动信号。通过研究表明，引入的非周期性使得源中的相邻零点在频谱中聚集，从而在有限的频率范围内形成了有效的抑制带。与传统调谐方法和相控阵方法的比较进一步突出了其在不同信号带宽下的设计灵活性和鲁棒性。对两个制造出的优化传感器的实验结果证实了预测的选择性行为，尽管实际测得的抑制水平低于理论值。这些结果为SHM应用的紧凑型宽带传感器设计提供了一条计算效率高的途径。