第四章 實驗量測與討論
4.5 反對稱壓電纖維複材的聲場與衰減
本節以具更 21 對電極的 APFC 導波換能器作為訊號發射器，探討其 聲場分佈及衰減的特性。先以都卜勒振動量測儀測得 APFC 在鋁板上生 成的頻板波率響應，再以主頻率激振 APFC，量測 APFC 激發鋁板板波 的聲場及衰減曲線。
4.5.1 雷射都卜勒振動量測
當觀察者與波源間更相對運動時，觀察者所接收到的頻率會隨兩者 間的相對速度變化而改變。雷射都卜勒振動儀(LDV)依據此原理，利用 雷射光照射待測物產生的頻率改變量，判斷物體表面移動的位移與速度，
屬於非接觸式光學的單點量測系統。當雷射光照射於運動中的待測物表 面，物體表面反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異，其頻 率差值正比於物體運動的相對速度，近年來廣泛運用於結振動位移與速 度的量測。
本研究採用雷射都卜勒振動儀 OFV-5000 (Polytec)、雷射光感測器 OFV-505 (Polytec)、功率放大器 SCCX75 (IFI)及網路分析儀 HP 8751A，
量測 APFC 激發之鋁板板波的頻譜響應，實驗架構如圖 4.64 所示。以網 路分析儀輸出振幅 1V 的正弦波訊號，掃頻範圍視所探討的頻率而定，
以功率放大器將訊號增益，輸出至黏貼於鋁板上的 APFC，再以雷射都 卜勒振動儀量測鋁板的面外振動響應，所量測的訊號輸入至網路分析儀，
即可獲得 APFC 激發的鋁板板波頻率響應。將雷射光聚焦於 APFC 前方
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距離 5 個波長的鋁板上，如圖 4.65 所示，上述波長是以自由狀態之 APFC 板波波長為準。圖 4.66 及圖 4.67 所示分別是電極間距 1mm 及 0.8mm 的 APFC 激發之鋁板板波的頻率響應。由結果可得知電極間距 1mm 的 APFC 在鋁板上產生的板波頻率約為 350kHz 及 790kHz；電極間距 0.8mm 的 APFC 產生的板波頻率則約為 450 kHz 及 1MHz，與前一小節 暫態實驗所得到的結果相近。
4.5.2 聲場量測
聲場量測實驗架構與前一小節相同，量測點以 APFC 邊緣中心為基 準，等距離畫一半圓，由 0 度開始，每 10 度畫一量測點，直至 180 度，
共更 19 個量測點。探討三組 APFC 的聲場分佈時，以自由狀態之 APFC 的波長(L)為單位，量測點分別位於半徑為 5L、8L 及 10L 的半圓，如圖 4.68(a)所示。
Grondel et al[19]曾以更限元素法模擬壓電材料黏貼於複材板所激發 的聲波，說明 A0模態的振幅大於 S0模態，並指出當複材受撞擊而產生 破壞時，A0板波振幅會明顯改變。本研究由暫態訊號的波傳時間，計算 出波速，對照鋁板的頻散曲線(圖 2.5)，推測 350kHz 與 450kHz 可能為鋁 板的 A0模態。遂以 350kHz、450kHz 分別激振電極間距 1mm 及 0.8mm 之 APFC，在鋁板上產生 A0板波。表 4.5 所列為聲場強度量測的原始訊 號極值，最大值皆在 APFC 的中軸線，即 90 度位置，最小值則無規則可 循，隨著距離增加，聲場強度的最大值逐漸減小。比較相等半徑的聲場 分佈，電極間距 1mm 較 0.8mm 之 APFC 更較大的聲場強度。將聲場強 度分佈予以正規化處理，圖 4.69 至圖 4.71 所示依序是電極間距 1mm 的 APFC 在 5L、8L 及 10L 處的聲場極圖；圖 4.72 至圖 4.74 所示則依序為
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電極間距 0.8mm 的 APFC 在 5L、8L 及 10L 處的聲場極圖，不論 APFC 的電極間距及波傳距離，聲場強度在 90 度方向更最大值，偏離 APFC 中軸線的聲場強度呈下降趨勢，並出現側瓣，這是所激發聲場彼此干涉 所致。APFC 激發的聲場具更很好的指向性(directivity)，隨著聲場距離 的增加，可觀察到主瓣明顯變窄，APFC 的指向性更加顯著，但無法定 量計算聲場主瓣及側瓣與波傳距離之間的變化規則。此外，因為 APFC 上下面指叉電極的錯位及量測位置手動定位，都會造成聲場分佈左右不 對稱。
4.5.3 衰減量測
衰減量測實驗的波程是以 APFC 邊緣中心為基準點，帄行壓電纖維 方向，以自由狀態之 APFC 波長的 2 倍為單位增量向外標繪量測點，共 畫 15 個量測點，如圖 4.68(b)所示。激振頻率與聲場量測的設定一樣，
圖 4.75 與圖 4.76 所示分別是電極間距 1mm 與 0.8mm 之 APFC 的衰減量 測結果，不同電極間距之 APFC 所發射的訊號在傳遞 28 個波長後皆衰減 約 5dB，訊號振幅與波程距離成線性遞減關係，兩擬合線具更相近的斜 率，代表不同的電極間距之 APFC 更相似的衰減性。
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