压电超材料传感器设计的研究

In order to enhance the reliability of non-destructive test (NDT) techniques based on guided waves, it is urgent to restrain the characters of multiple modes and dispersion of guided waves. This proposal proposes to design an intelligent piezoelectric sensors based on the wave control of elastic metamaterials and piezoelectric materials, which can carry out the active adjustments of frequencies and propagation directions of guided waves, even guided wave modes. Depend on the theory of elastic waves in piezoelectric materials, the effects of periodic arrays of multiple micro-voids elastic inclusions in piezoelectric patch will be studied to figure out how to depress or improve the influence of the multi-modes and dispersion on the. Furthermore, the sensors of piezoelectric metamaterials with adjustable function of guided waves will be studied. The proposed method is creative and significant to the development of a smart and integrative damage detection and structural health evaluation technique to reach to the in-situ health monitoring of complicated engineering structures.

基于导波的无损检测技术迫切需要抑制导波信号的多模态、频散等复杂特性，提高损伤检测的可靠性。为此，本项目拟将弹性超材料的弹性波调控设计思想与压电材料的驱动与传感的多功能器件可实现性结合，设计出具有导波频率、导波方向甚至导波模态的主动调控功能的智能压电超材料传感器。本项目将从发展压电材料弹性波理论出发，通过压电片内部含周期性微孔洞或周期性弹性体的几何构型与排布的研究，设计具有消除或改进导波的多模态和频散特性的智能压电超材料，研制具有导波调控功能的传感器。本项目的研究对于促进无损检测与结构健康评估技术的一体化、智能化发展，为实现大型复杂结构的在役结构健康监测具有重要意义。

基于导波的无损检测技术的发展，对大型工程结构的在役结构健康监测和寿命评估具有重要意义。然而，导波信号的多模态、频散等复杂特性，极大地制约了损伤检测的可靠性和精确度的提高。为此，本项目根据弹性超材料和超表面的设计思想，结合分流电路对压电材料的可调控性，研究并设计出具有导波信号智能调控的弹性超材料/超表面和压电超材料/超表面。本项目首先通过对周期性排布的弹性结构和与分流电路耦合的压电片周期排布的薄板的动态响应分析，研究设计出新型的弹性超表面，实现了弹性波的异常折射、平面波聚焦和激励源隐身等功能的调控。然后，本项目探讨了弹性、黏弹性、压电弹性超材料的几何构型和周期性分布形式对导波传播的影响，提出了能够实现拓宽带隙、非对称波动传播和零反射波功能的黏弹性超材料结构，并设计出可以实现通带/禁带的调谐、导波模态的择取及传播方向的主动调控等功能的压电超材料，解决了导波的多模态问题。本项目还研究并设计了Parity-time 对称声子晶体的离散弹性体和连续体结构，发现了奇异波动传播特性的调控机制，并据此设计了由周期排布的连接分流电路的压电片构成的超材料梁，实现了弯曲波的奇异传输点和单方向无反射点频率的调控。此外，本项目还进行了周期性加筋和点阵结构的动态响应与波动问题分析，进行了损伤检测信号消除频散和周期性加筋影响的信号处理方法研究，提出了基于导波的损伤识别方法和振动与波动结合的多级损伤检测方法。因此，本项目的研究不仅促进了新型的超材料/超表面结构设计的发展，为板状结构中弹性波传播的调控提供了有效的手段，而且为研制压电超材料的导波传感器提供了技术支持，并为促进基于导波的无损检测方法在大型工程结构在役健康监测中的智能化发展奠定了基础。