Bender-extender element

Leong et al. (2009)提出一種可用來量測壓縮波速及剪力波速之方法，為 Bender-extender element 法，此方法僅使用一對壓電元件即兼具量測壓縮波 速與剪力波速之功能，可免去實驗中為了量測壓縮波與剪力波而必須將成 對之彎曲元件與伸縮元件分別安裝於金屬底座之麻煩。其試驗設備如圖 2.18 所示。

圖 2.18 Bender-extender element 波速量測設備(Leong et al., 2009)

壓電陶瓷片的極化方向可分為 x-poled 與 y-poled 兩種，兩側陶瓷片極 化方向不同者為 x-poled (如圖 2.19(a)所示)，而兩側陶瓷片極化方向相同者 為 y-poled (如圖 2.19(b)所示)。依據此方法之原理，當電流流向與壓電陶瓷 片極化方向不同，會使得壓電元件向側面彎曲或向兩端伸縮藉以產生震波。

壓電陶瓷片其中一側的極化方向與電流流向不同之時，會使得元件往側向

擺動(如圖 2.20(a)、(b))，此為 Bender element；而當壓電陶瓷片兩側的極化 方向與電流流向皆不同之時，會使得元件朝兩端伸縮(如圖 2.20(c)、(d))，

此為 Extender element。

圖 2.19壓電陶瓷片極化型式(Leong et al., 2009)

壓電陶瓷片之接線方式分為並聯(parallel)與串聯(series)兩種(如圖 2.20 所示)，並聯時電能轉換為機械能之功率是串聯時的兩倍；串聯時機械能轉 換為電能之功率是並聯時的兩倍。一般在使用壓電元件量測時，會採用觸 發端(transmitter)為並聯型式，接收端(receiver)為串聯型式，以效能較佳之方 式進行量測。如圖 2.20所示，將極化方向為 x-poled 之壓電陶瓷片以串聯方 式連接，即成為剪利波之 receiver (如圖 2.20(a))，改以並聯方式連接則成為 壓縮波之 transmitter (如圖 2.20(c))。相同地，將極化方向為 y-poled 之壓電 陶瓷片以並聯方式連接，即成為剪力波之 transmitter (如圖 2.20(b))，改以串 聯方式連接即成為壓縮波之 receiver (如圖 2.20(d))。Leong et al. (2009)提出 此方法，只要變換並、串聯之接線方式來改變電流流向，使觸發端轉為接 收端、接收端轉為觸發端，即可分別觸發壓縮波與剪力波進行量測。

圖 2.20 Bender/Extender element 震動原理示意圖(Leong et al., 2009)

Leong et al. (2009)亦指出，當輸入的觸發頻率增加時，剪力波訊號的近 場效應將會減小。當波傳遞距離與波長之比值

L

/ λ ≥ 3 . 33

圖 2.21 波傳遞距離與波長之比值

L

/ λ

綜合以上文獻回顧，將以此作為室內實驗規劃的參考與依據。雖然 Brignoli et al. (1996)所提出的方法可量測壓縮波與剪力波，但因量測時需使 用不同的壓電元件以分別觸發壓縮波與剪力波，並不利於本研究多角度之 量測；而 Leong et al. ( 2009)提出之方法僅需一對壓電元件即具備量測壓縮 波與剪力波之功能，因此本研究將參考 Leong et al. ( 2009)所提出之方法，

製作室內試驗所需之 Bender-extender element 來量測壓縮波與剪力波波速，

再以實驗分析所得不同角度之彈性波速，求得 Anderson (1961)提出之異向 性因子，以探討夯實土壤之異向性對彈性波速的影響程度。