石墨流道板之超音波反射訊號模擬分析

行為為平面應變(plane strain)，此乃因平面應力(plane stress)的假設對材料 的波速會受到改變，而平面應變假設則不會改變材料的波速，故將其平

每個節點自由度與元素選擇的耦合特性有關。本研究的壓電陶瓷只考慮 位移與電兩種特性，每個節點具有 X 與 Y 兩個方向的位移與一個電位 差，總共三個自由度。

為模擬水存在於石墨流道板表面對於回波訊號的影響，本研究使用 Fluid29 元素來建立液體部分的元素，其為一具有四節點的平面元素，能 進行雙向的流體固體耦合分析，並忽略液體的流動現象，在液體內波傳

4.3.2 石墨流道板之暫態模擬

由於建立模擬的模型須以實際的實驗數據作為對照，在第三章利用 工業用接觸式探頭對石墨流道板進行量測，得到表面平坦之非流道區與 具凹凸交錯流道的流道區之回波訊號。故模擬的訊號號將可依此作為依 據，以確認模擬的可靠性，進而對配置陣列超音波探頭之回波訊號進行 模擬。以下分成四部分進行討論：

第一部分建立一簡化之石墨流道板模型，其厚度為9 mm，並以施加 分佈力的方式來模擬探頭施加在流道板的作用力，藉以了解當受到超音 波作用時之波傳行為。

第二部分建立與非流道區超音波回波訊號實驗等效之模擬模型，使 用相同寬度的探頭，以確定模擬所用之設定。其一模型具有平坦表面但 沒水存在之石墨板，另外為模擬在石墨板上加上一層水之回波訊號，建 立一同樣具有平坦表面且具有一層水之模型，比較沒水、有水之訊號，

並與實驗得到之回波訊號作比對。

第三部分建立與流道區超音波回波訊號實驗等效之模擬模型，在石 墨板表面建立相等尺寸的流道，為比對有水存在之反射訊號，建立兩個 模型，其一在流道間沒有水，另一模型在石墨流道板上方中間相臨的四 個流道加入水，比較訊號之差異並與實驗得到的訊號比對。

第四部分同樣針對具有複雜幾何的流道區部分進行模擬，利用前面 的單探頭指向性分析得到單一元素寬度為1.5 mm，節距為3 mm，單一排 配置16元素，驅動中心頻率為 5 MHz的設計結果，為了解此設計的效果，

模擬陣列超音波探頭配置在石墨流道板之上所收到的訊號。

4.3.2.1 石墨流道板暫態波傳模擬 即為造成陣列超音波探頭元素間互相干擾(cross-talk)的重要原因。若將平 均分佈壓力脈波改為如圖4.3.5所示之壓力分佈形式，在中央壓力分佈最

4.3.2.2.1 邊界條件的設定

material)，其作用為控制壓電陶瓷下表面的振動，以避免壓電陶瓷下表面

在收到激發後形成反射面，一般使用具有高阻尼、高密度材料作為基底 材料以吸收其能量。除需有高衰減係數的材料之外，基底材料之聲阻係 數需與壓電陶瓷的聲阻係數盡可能的接近，以確保超音波能順利的進入 基底材料達到吸收能量之目的。

為模擬基底材料對於反射訊號的影響，本研究以 Aradite材料為基準

交界面建立一流固耦合介面(fluid-structure interface, FSI)，使固體的應力 波能以壓力波的形式傳進液體內部，在液體的上表面反射後，回到石墨 與水的交界面時，再從水的壓力波轉成固體的應力波，經石墨板傳回壓 電元素產生回波訊號。

為比較沒水與有水兩個非流道區模型模擬訊號，將兩個訊號重疊表

示(如圖4.3.14)，第一回波為壓電元素在發出超音波之後所接收的首次回

幅，隨著水的存在而降低，此代表能量在固體與液體交界面由石墨進入 水中；而在第一回波中，代表流道突起面之反射面時間較晚之反射訊號 振幅變化不明顯。此乃因其上方沒有水存在，能量不會受到吸收，故反 射訊號振幅不變，此外能量在進入水中之後，會在水中多重反射且由於 水中的波傳速度較慢，會在第一回波的後面形成多個回波訊號，此結果 與實驗所觀察到之現象一致。

4.3.4.5 流道區陣列超音波探頭回波訊號模擬

為評估陣列探頭的效果，建立如上一節所使用之流道模型，並在流 道板下方配置一排線性陣列超音波探頭，其尺寸規格依照單探頭指向性 分析結果所設計之尺寸，元素節距(pitch)為 3 mm，單一元素寬度為 1.5 mm，數量為十六個。利用此分析模型來模擬線性陣列探頭，並分別使用 齊發齊收與單發齊收的兩種方式，激發探頭發出與接收超音波；除沒水 的分析模型之外，另外建立一具有四個流道水之模型，供訊號比對之用。

圖 4.3.19 為無水之狀態之分析模型，圖 4.3.20 則為在中間區域具有

四流道水狀態之分析模型，為了避免干擾(cross-talk)效應，在壓電陶瓷之 間加上環氧樹脂(epoxy)，其餘設定皆與第三部分相同，為求區別方便，

將探頭作編號，其定義為由左至右依序為PZT1至PZT16。

(1) 齊發齊收模式陣列超音波回波訊號

4.3.3 小結

由前一段實驗的結果得到實際石墨流道板之材料係數，其材料特性 較接近等向性材料，在本章中使用實驗所得到之材料係數進行暫態模 擬，對造成陣列探頭干擾效應的現象進行模擬，由分析的結果可看出表 面波生成為造成陣列探頭干擾效應的重要原因，而表面波的生成與探頭 作用在流道板之壓力分佈有直接關係，由模擬結果可發現表面波生成位 置皆位於壓力分佈變化劇烈之區域。此模擬結果可幫助了解造成干擾現 象之成因。

此外，建立一套模擬程序針對上述實驗的條件進行訊號模擬，得到 與實驗結果趨勢相符之模擬訊號，在具有水存在之情況下，回波訊號之 起始回波振幅會較沒水的情況小，且在時間較晚處會出現多個回波訊 號。此結果驗證了實驗結果的結論，也成功建立了一套超音波反射訊號 模擬程序。

接著使用根據指向性分析結果所設計之陣列超音波探頭進行模擬，

確認其確實能區別出石墨複材流道板不同區域水之生成。而其聲場分佈 均勻性足夠，與設計目標相符。