近日，我院机械工程学科硕士研究生魏振顺在高温壁厚在线监测关键技术——窄板波导中单一SH(0,1)模态导波激励研究方面取得重要进展。相关研究成果《使用d24型压电片在有限宽平板中激励单一SH(0,1)模态的方法研究》（Excitation of Single Mode Shear Horizontal (0,1) Guided Wave in a Narrow Plate Waveguide Using d24 Piezoelectric Wafers）发表在《Ultrasonics》期刊上。《Ultrasonics》是国际知名的无损检测与超声技术领域学术期刊，目前影响因子为3.8（SCI二区top）。论文第一作者为硕士研究生魏振顺，通讯作者为殷晓康教授，中国石油大学（华东）为独立完成单位，该研究得到国家自然科学基金及“泰山学者”青年专家计划等项目的联合资助。
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本研究针对高温设备壁厚监测领域窄板波导（NPW）中剪切水平（SH）导波的激励问题，提出了一种使用d24 PZT晶片在NPW中激励单一SH(0,1)模态导波的方法。通过Floquet周期边界条件方法，绘制了不同尺寸的NPW和无限大板（PIW）中SH导波的频散曲线，发现NPW中SH波的截止频率随板宽增加而降低，而与板厚无关，这与PIW中随板厚变化的现象形成显著对比。
不同宽度的1mm厚NPW中SH(0,1)模态的频散曲线
基于对NPW频散特性和SH(0,1)模态振型的分析，设计了一种采用双侧对称布置d24型面剪切PZT晶片的换能器，并通过有限元仿真与实验研究，评估了换能器（特别是晶片长度）的尺寸对激励效果的影响。仿真和实验结果表明，长度为6–36 mm的PZT晶片均可在30 mm宽的NPW中激励出SH(0,1)模态导波，但当激励出的位移模态长度与目标SH(0,1)模态的振型匹配（即晶片长度为18–24 mm）时，其激励纯度和信噪比最高。
仿真和实验结果
研究结论如下：通过模态长度匹配设计d24型换能器结构，可在有限宽波导中有效抑制非目标模态激励，实现单一SH（0,1）模态激励。当换能器与NPW的尺寸比例维持在0.6–0.8范围内，能够实现近似非频散的单一SH(0,1)导波激励。本研究为高温条件下壁厚监测中SH导波换能器的工程设计提供了新思路和实验依据。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ultras.2025.107693
