钢板中电磁超声导波换能器主声束方向研究

针对电磁超声导波主声束传播方向受钢板中裂纹方向影响的问题,分析电磁超声主声束与磁场参数的函数关系,建立基于毕奥-萨伐尔定律的导波传播方向分析模型,研究换能器线圈工作导线的偏转角与导波传播关系的方向控制模型,实验验证了主声束方向可控及其裂纹检测能力。结果表明:钢板中电磁超声导波主声束传播方向垂直于换能器线圈工作导线,工作导线偏转角变化可实现电磁超声导波在钢板中的传播方向控制,为钢板中全向裂纹检测提供了理论依据与应用基础。     

一种管道中 T(0,1)模态单向电磁超声换能器

为了准确判定管道中缺陷位置且减少回波信号复杂程度,提出一种管道中单向传播的电磁超声换能器结构。根据电磁超声换能器理论,建立磁场、位移、超声波叠加数学模型,并对单向电磁超声换能器波动位移进行有限元仿真分析;实验采用双线圈激励方法对T(0,1)模态导波的传播强度进行控制。结果表明:换能器相邻导线间距为λ/4,且延迟时间为T/4时,减弱侧回波信号幅值近乎为零;增强侧回波信号幅值显著增强,与传统换能器产生的声波强度的相对灵敏度为5.88 dB。单向T(0,1)模态电磁超声换能器实现了传播强度与方向的控制,提高了检测信号的信噪比,为缺陷方位的精准识别提供了理论依据,为管道检测工程应用提供准确的缺陷位置信息。     

力磁耦合作用下电磁超声换能器换能效率仿真分析

研究了力磁耦合作用下外加应力对电磁超声换能器换能效率的影响。首先通过理论推导,得出外加应力下磁致伸缩材料的本构关系式,而后利用多物理场耦合有限元分析软件COMSOl分析了外加应力对电磁超声换能器换能效率的影响。结果表明:在相同磁场条件下,随着外加应力的增加,磁致伸缩应变和电磁超声换能器换能效率均减小,当外加应力值超过材料的屈服强度时,磁致伸缩振幅趋近于零。因此,使用电磁超声检测器对存在外加应力作用下的工件进行检测时,应适当增加换能器中偏置永磁体剩余磁通密度或增加线圈激励电流大小,以保证较高的检测效率。     

基于洛伦兹力机制的电磁超声发射换能器的建模与优化

电磁超声换能器(Electromagnetic acoustic transducer,EMAT)是电磁超声检测技术的核心部件,具有非接触、不受工作环境影响、易于激发多种类型的超声波等优点。但与传统的压电式超声换能器相比,电磁超声发射换能器的换能效率较低,导致超声回波信号较弱,检测结果不理想。现阶段,在完善对EMAT建模分析的基础上,通过对换能器参数的优化和结构的改进设计以及与其他新技术相结合的方式,EMAT的换能效率已经有了明显的提高,但仍存在解析、半解析建模方法不完整,数值建模方法计算时间长,以及换能效率仍然不够理想等问题。对此,综述近十几年来基于洛伦兹力机制的电磁超声发射换能器的数学建模方法,包括解析法、数值法和半解析法,给出较为完整的耦合方程和建模过程。并在此基础上,分析了偏置磁场、激励线圈、提离距离等参数对换能效率的影响规律以及换能器的优化设计方法,为今后电磁超声换能器的模型完善和改进提高提供参考。     

基于逆磁致伸缩效应的超磁致伸缩磁力控制器件建模

超磁致伸缩器件的输入应力与输出磁通密度存在着滞回非线性.基于Jiles-Atherton模型、磁机械效应方法定律和磁路定律,建立一个超磁致伸缩磁力控制器件的滞回模型.试验结果表明,该模型能较好地描述在变化应力和恒定偏置磁场作用下,超磁致伸缩器件输入应力与输出磁通密度及磁力的滞回关系,并可以预测偏置磁场对器件输出性能的影响,从而对器件的设计与分析具有重要指导意义.     

线圈自激励电磁超声换能器设计及特性研究

提出一种线圈自激励电磁超声换能器模型,该换能器无需磁铁提供静态磁场,可以避免磁铁对铁磁性材料吸附带来的不利影响,同时可以大大降低换能器质量。通过有限元仿真和试验结合的方法对所设计的换能器性能进行研究,随着提离距离提高,A_0兰姆波的衰减速率要快于S_0兰姆波,这是由于S_0兰姆波主要由磁致伸缩力引起的面内振动产生,动态磁场在6 mm提离距离时仍然具有较大水平分量。与之相比,A_0兰姆波主要由动态洛伦兹力引起,感应涡流强度及动态磁场强度在大于3 mm提离距离后都有明显衰减,动态洛伦兹力引起的面外振动衰减迅速。线圈自激励换能器可以在6 mm提离距离激励较纯净S_0兰姆波,优于传统换能器3 mm提离距离。最后,对两种兰姆波指向性进行研究,波长较长的S_0兰姆波具有更大的检测范围。     

钢轨踏面检测电磁超声表面波换能器优化设计

钢轨踏面疲劳裂纹的产生严重影响了列车的运行安全,及时有效对钢轨踏面裂纹进行检测与评价具有重要意义。电磁超声换能器(EMAT)具有非接触、无需处理粗糙表面,易于实现快速自动检测技术等优点,但是易受提离影响、换能效率低,因此需要对EMAT进行优化设计以提高其检测灵敏度。建立多根分裂曲折线圈接收EMAT的有限元模型,基于正交试验表,分析了曲折线圈导线宽度、高度和根数以及永磁铁尺寸、提离对接收电压信号幅值的影响规律。在此基础上,获得了表面波EMAT的最佳参数组合,并通过实验加以验证。研究结果表明,与传统EMAT线圈相比,多根分裂曲折线圈EMAT的接收信号幅值可以提高50.8%;利用A\B扫检测方法,表面波EMAT可以有效检出钢轨踏面裂纹。     

用于钢管缺陷检测的电磁超声传感器优化设计研究

电磁铁是电磁超声传感器的重要组成部分，它与钢管构成的磁场是电磁超声传感器产生超声波的基础。本文建立磁感应强度与分子振动幅值的关系函数，用均匀实验设计对电磁超声传感器进行优化设计，实现了电磁超声传感器的小型化。实验研究证明，优化设计方法是正确的。     

电磁超声电声转换效率的影响因素分析

电磁超声是一种非接触超声检测方法,因不需要耦合剂,在一些常规超声无法实施的特殊检测领域发挥着重要作用。但是,由于电磁超声电声转换效率低,制约着电磁超声的广泛应用。分析了几种参数对电磁超声电声转换效率的影响,包括探头的提离、激励信号的电流幅值、频率、周期个数和仪器的输出功率等几个因素。研究表明：随着探头提离的增大,电磁超声的信号几乎成指数衰减;通过优化激励信号的电流幅值、周期个数和激励频率以及在探头两端增加阻抗匹配单元,可以提高电磁超声的电声转换效率。     

基于反转威德曼效应的管道扭转导波监测换能器设计北大核心CSCD

针对预磁化式磁致伸缩扭转导波换能器换能效率低、磁致伸缩材料消磁导致无法长期监测的不足,文中基于反转威德曼效应设计了一种永磁式磁致伸缩扭转导波换能器,适用于长距离管道健康监测。首先,阐述磁致伸缩扭转导波换能器换能机理,提出管道周向永磁阵列和柔性曲折线圈换能器结构。然后,使用COMSOL Multiphysics软件对换能器偏置磁场进行仿真,研究永磁铁对偏置磁场的影响,并确定永磁铁阵列参数。最后,在管道中激励扭转导波,实验研究磁致伸缩贴片宽度对换能器频率响应特性的影响。实验结果表明:设计的换能器能够在管道中激励纯净的T(0,1)模态导波,通过调整磁致伸缩贴片宽度,能够改变换能器中心频率。