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电磁超声换能器的机理研究及其仿真分析

作　者: 周佳伟
导　师: 高松巍
学　校: 沈阳工业大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 电磁超声换能器 有限元 辐射声场 指向性 表面波
分类号: TB552
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 258次
引　用: 1次
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内容摘要


区别于传统压电超声检测技术,电磁超声检测技术具有无需耦合剂、更易激发出不同模式的超声波等特点,优势逐渐凸显。由于电磁超声换能器的复杂性和多样性,本文在对国内外电磁超声检测技术对其机理的研究和认识的基础上,着重利用有限元仿真分析的方法对电磁超声的检测机理进行深入的研究。本文针对电磁超声换能器工作的三个过程：电磁场、电磁超声耦合以及声场传播理论,分析其相应的换能原理,进行详细的数学描述和理论推导。根据产生波型的不同,分析了电磁超声换能器的各组成部分中高频激励线圈和磁铁的不同配置情况,以及对应不同配置激发波形的种类和其声波传播形式。采用ANSYS有限元仿真软件对电磁超声换能器的进行电磁场仿真分析,得到被测试件中涡流和洛伦兹力的分布。同时,将电磁场得到的结果与结构场耦合,得到被测试件内部质点的应力、应变和位移情况,从而达到对电磁超声换能器辐射声场进行仿真分析的目的。电磁超声换能器的缺点是换能效率低,信号微弱。因此,为了提高换能效率,对其模型进行了优化,针对EMAT优化的主要对象,对线圈与被测试件之间的提离距离、线圈和永磁体的各参数对换能效率的影响做了分析,最终确定了激励线圈参数的优化组合。通过电磁结构耦合得到被测试件内部质点的应力、应变和位移情况。仿真分析得到电磁超声换能器被测试件内部辐射声场的分布以及被测试件表面上的指向角,通过实验验证了指向角仿真结果的正确性。并通过改变被测试件的厚度、激励电流频率得到相应辐射声场的变化。最后分析了三种配置的换能器的辐射声场分布的各自指向性特点。

全文目录


摘要  8-9
Abstract  9-10
第一章 引言  10-19
  1.1 课题研究的背景和意义  11-15
    1.1.1 超声导波概述  11-13
    1.1.2 电磁超声检测技术概述  13-15
  1.2 电磁超声检测技术国内外的发展现状  15-16
  1.3 课题研究的主要内容及章节安排  16-19
    1.3.1 课题研究的主要内容  16-17
    1.3.2 论文章节安排  17-19
第二章 电磁超声换能器的换能原理  19-25
  2.1 电磁超声换能器换能理论概述  19-21
  2.2 电磁超声换能器电、磁、波耦合理论  21-24
    2.2.1 电磁超声换能器电磁场基本理论  21-22
    2.2.2 电磁超声耦合一般方程  22-23
    2.2.3 固体中声场的基本方程和声波的波动方程  23-24
  2.3 本章小结  24-25
第三章 EMAT激发波的种类及有限元模型  25-31
  3.1 EMAT激发波的种类  25-28
    3.1.1 纵波(L波)及横波(S/T波)  25-27
    3.1.2 表面波(R波)  27
    3.1.3 板波(P波)  27-28
  3.2 EMAT电磁场三维有限元建模  28-30
    3.2.1 电磁场有限元分析概述  28-29
    3.2.2 电磁超声换能器建模  29-30
  3.3 本章小结  30-31
第四章 EMAT换能器的优化设计  31-43
  4.1 提离距离的优化  31
  4.2 EMAT换能器激励线圈的优化设计  31-35
  4.3 EMAT换能器磁体的优化  35-40
    4.3.1 磁体的分类和特性  35-36
    4.3.2 影响EMAT换能效率的永磁体参数  36
    4.3.3 永磁体的优化仿真  36-40
  4.4 EMAT换能器优化结果  40-42
  4.5 本章小结  42-43
第五章 电磁超声换能器的仿真分析  43-72
  5.1 EMAT电磁场分析  43-44
  5.2 EMAT电磁结构耦合分析  44-46
    5.2.1 EMAT电磁结构耦合分析控制方程  44-45
    5.2.2 EMAT电磁结构耦合建模  45-46
  5.3 EMAT辐射声场仿真分析  46-49
  5.4 EMAT激发波形种类判定的仿真分析  49-52
  5.5 EMAT声场指向性仿真分析  52-56
    5.5.1 声场指向性随声波传播距离的变化  53-55
    5.5.2 辐射声场指向角  55
    5.5.3 声场指向性实验验证及结果分析  55-56
  5.6 EMAT其他参数变化对辐射声场影响  56-65
    5.6.1 EMAT中被测试件厚度变化对辐射声场影响  57-58
    5.6.2 激励电流频率变化对辐射声场影响  58-60
    5.6.3 激励线圈间距变化对辐射声场影响  60-65
  5.7 永磁体和激励线圈配置不同EMAT辐射声场分布  65-70
    5.7.1 单磁体曲折线圈配置的EMAT辐射声场  65-68
    5.7.2 间歇式磁体组曲折线圈配置的EMAT辐射声场  68-70
  5.8 本章小结  70-72
第六章 结论  72-73
参考文献  73-76
在学研究成果  76-77
致谢  77

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 声学工程 > 超声工程 > 超声换能器
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