1.1 研究背景
非破壞性檢測(non-destructive testing，NDT)應用於結構製造業及 工業安全，在不改變或不破壞試驗對象完整性之下，檢測材料性質及瑕 疵。NDT in Design 是在結構設計之初，即將非破壞檢測所需的孔道、
空間融入構件的一種概念。逐漸發展成以內嵌於結構之壓電致動器與感 測器，透過比較結構材料參與數幾何特徵的改變，定期檢查結構的損 傷，可比傳統非破壞性檢測更節省檢測時間與經濟成本，逐漸蔚為主 流。後者稱為結構健康監測系統(structural health monitoring，SHM)，透 過內嵌感應器的響應分析，定時監測結構的損傷與退化。
鉛鈦酸鋯為一種人造壓電材料，只有質地脆硬及不易加工的特性。
但隨著科技進步，壓電材料的成型製造技術有長足的進步，包含凝膠法 (sol-gal)及壓電纖維等製造方法。目前製造壓電纖維的技術可分為切割 法(dicing)、擠壓法(extruding)與雷射切割法(laser cutting)，其中又以擠壓 法的製造成本最低、適合連續製造且可控制纖維線徑，本研究所使用的
初始的壓電纖維複材致動感測器應用範例為 PFC (piezoelectric fiber composites)，是一種以對稱指叉電極驅動壓電陶瓷，同時產生伸縮 致動的元件，壓電纖維依其截面形狀可以分成方形及圓形兩類，方形纖 維將壓電陶瓷基板切割細條狀而成，稱為 MFC(micro-fiber composite)，
製作成本較高。圓柱形壓電纖維適合大量生產，將圓形壓電纖維含浸於 環氧樹脂，上下表面貼撓性印刷電路高分子薄膜，形成三明治結構，稱 為 AFC(active fiber composite)，是最常見之主動式壓電纖維複材。
AFC 的驅動電極是上下對稱排列的指叉電極，不適合作為波動致 動 器 。 反 對 稱 指 叉 電 極 壓 電 纖 維 複 材 (anti-symmetric interdigitated electrode piezoelectric fiber composite，AE-PFC)則是一種由兩層反對稱排 列指叉電極薄膜夾著壓電纖維，並以環氧樹脂黏合而成的三明治結構的 導波換能器，比起 AFC，它仍保留了撓曲變形能力，黏貼於結構表面所 激發的模態波長更接近自由板波的波長。此外，其具有質量輕盈與聲場 高度指向性等優點，可作為嵌入式導波換能器與感測器。
1.2 研究目的
指叉電極驅動壓電纖維複材所產生的蘭姆波(Lamb wave)具有雙向 傳遞的特質，在大尺寸結構上，蘭姆波的反射回波會因為傳遞距離遠而 明顯地衰減，所以並不會有太顯著的影響。若 AE-PFC 應用於小尺寸結 構的監測時，由於反射波傳遞距離並不遠，反射波干擾感測器接收波的 現象就會變得十分明顯。為了增加 AE-PFC 的致動效應，如何藉由改變 指叉電極的特徵結構，提高致動端產生的單位電壓應變(microstrain per unit volt)是本文的目的之一。
極化的結果會影響一個指叉電極驅動壓電纖維元件的驅動效應，一 (piezoelectric fiber composites，PFC)，如圖 1.1 所示，以環氧樹脂黏合單 向排列壓電陶瓷纖維，並與上下兩層的指叉電極結合，形成三明治結
1.2 所示，是一種方形纖維排列而成的壓電元件的構造，結果顯示 MFC 結合電與機械場的能力比單片壓電陶瓷優秀。也發現了 MFC 的致動與 傳感器可以運用於尋找充氣結構的模態參數，並有效減少結構的振動損 耗。
Bruner et al.[4]曾於 2004 年比較主動式壓電纖維複材(AFC)與市售 音洩探頭的感測能力，結論是 AFC 在纖維方向具有較佳的靈敏度，可 以振動方式產生訊號擾動。
Bunner et al.[5]於 2005 年提出主動式壓電纖維複材(AFC)在致動與 感測方向上的優異表現， 結論提到 AFC 具有結構健康監測的潛力，可 用於 AE 監測及聲超音波(acousto ultroconics，AU)的感測。
2011 年，黃室維 [6]將 PFC 的極化及驅動指叉電極由對稱改為反對
Nelson et al.[9]在 2003 年製作體積比 0.2~0.72 的主動壓電纖維複
2009 年，Deraemaeker et al [12]以 plane stress 與 unifrom field method (UFM)為假設，用混合律(mixture rule)計算壓電複材的等效材料係數，
再以等效材料係數做有限元素模擬。結果顯示以混合律計算之壓電系數
有線元素套裝軟體 ANSYS 分析理想條件下 AE-PFC 的波長頻散曲線與 極化電場。第四章為實驗量測，介紹 AE-PFC 的製作方法與細部尺寸的 量測，說明聲場激發的實驗架構與結果。第五章則為結論未來的工作方 向。