电磁超声兰姆波换能器多目标优化设计

针对电磁超声兰姆波换能器激发的兰姆波存在多模式、频散现象和信号较弱的问题,结合铝合金板材检测背景,提出一种基于"双交点法"、"零斜率准则"和正交试验设计相结合的电磁超声兰姆波换能器多目标优化设计方法。其中,"双交点法"可有效削弱兰姆波多模式现象的影响,"零斜率准则"能够有效降低兰姆波的频散现象,而正交试验设计方法可有效提高电磁超声兰姆波信号的幅值。依据所提优化设计方法,对一个在铝板检测中常用的电磁超声兰姆波换能器的9个主要参数进行了多目标优化设计。实验表明,优化后,兰姆波信号中的多模式、频散现象得到显著抑制,而且信号幅值得到明显提升,有效改善了电磁超声兰姆波换能器的工程实用性。

铝板材电磁超声兰姆波换能器的有限元分析及优化设计

电磁超声兰姆波换能器由于其激发的兰姆波具有多模式、频散性和信号较弱的特点,在一定程度上限制了其发展及应用。针对增强电磁超声兰姆波信号强度问题,提出了一种优化设计方法。通过在永磁铁和线圈之间加入超微晶叠片来减小永磁铁表面的涡流,增加试件中的涡流,同时改善静磁场的分布,从而增强铝板中的信号强度。重点研究了超微晶对电磁超声信号的影响,采用有限元软件进行仿真分析,并进行了实验验证。实验结果表明,该优化方法能够有效增强兰姆波信号强度。

基于Barker码脉冲压缩技术的钢板多阵元Lamb波电磁超声换能器设计与优化

为了解决传统Barker码脉冲压缩技术受脉冲功率放大器额定参数(占空比,最大脉冲宽度等)限制而导致的脉冲压缩效果下降、检测速度降低等问题,提出一种基于Barker码脉冲压缩技术的多阵元Lamb波电磁超声换能器(EMAT)。建立了基于tone-burst信号激励-Barker码脉冲压缩技术的多阵元Lamb波EMAT检测过程的有限元模型,分析了永磁体的配置形式、阵元序列长度、激励信号周期数、曲折线圈匝数等因素对脉冲压缩后的主旁瓣比和主瓣宽度的影响,并进行了实验验证。结果表明:曲折线圈匝数为4和Barker码序列长度为13位的多阵元EMAT在配置3对外置永磁体后,其信噪比(SNR)可提高9.8 dB。综合考虑检测回波的空间分辨率和SNR,多阵元Lamb波EMAT最佳参数为:曲折线圈匝数为10、激励信号周期数为11、Barker序列为13位,并配置3对外置永磁体。

基于Halbach阵列的电磁超声换能器的仿真设计

针对电磁超声换能器(EMAT)激发的Lamb波存在多模态和换能效率低的问题,提出一种基于Halbach阵列的电磁超声换能器设计,其永磁体磁极方向按照Halbach阵列排布。与传统EMAT单一磁铁对比,相同尺寸下Halbach阵列产生的静磁场强度有明显提高。为提高Lamb波单一A0模态的信号幅值,对换能器曲折线圈和磁铁阵列参数进行优化。通过理论分析和二维有限元仿真,结果表明,Halbach阵列的换能器最大磁通密度、磁通密度x分量和y分量分别是传统型的2倍,Halbach阵列换能器激发的Lamb波在铝板表面处位移是传统型的8.8倍。

电磁超声兰姆波在铝板传播中的模态识别

针对兰姆波多模态特性使其回波信号难以识别的问题,研究了铝板传播中兰姆波模态的产生依据及与激励频率的关系,为电磁超声兰姆波检测仪器研制提供依据。采用分立式电磁超声兰姆波换能器结构,通过数值计算、仿真分析、实验研究互为验证的方法对兰姆波多模态的传播特性和识别进行分析,确立了换能器结构尺寸、检测频厚积点、工件被检范围等参数。结果表明,频厚积点在群速度相等的三交点处时,激励产生的单一模态兰姆波检测铝板最佳。

基于电磁超声双换能器的单模态Lamb波激励方法研究

Lamb波因其指向性好、传播距离远、损耗小等优点而被广泛应用于构件的无损检测和健康监测中。但是,Lamb波的频散性和多模态的特点,使其在实际应用中的回波信号分析变得十分困难。该文在分析Lamb波多模态特性的基础上,根据Lamb波两种模式波结构的特点,研究电磁超声双换能器激发结构产生单模态Lamb波的特性,并对双换能器激发结构进行实验研究。仿真和实验结果表明,双换能器结构可激发单模态Lamb波,并且可以消除端面模态转换产生的多模态,从而减小后续信号处理的难度,为实际检测中缺陷的定位、识别提供有效信息,并为电磁超声双换能器激发结构的设计提供理论指导。

变波长水平剪切波电磁超声换能器设计

针对大型常压储罐底板厚度在线测量需要,设计并制作了一种可变波长的低阶水平剪切波电磁超声换能器,该换能器主要由永磁铁阵列、可变间距机械夹具、PCB板、阻抗匹配模块、接口、保护层及外壳等组成。对研制的换能器进行了性能测试,结果表明:研制的电磁超声换能器可在一定波长变化范围内激励出单一的低阶水平剪切波,且信噪比较好。设计的可变波长电磁超声换能器为压力容器在线检测提供了可能的传感器手段。

高温铝合金电磁超声SV波检测方法研究

建立斜入射垂直剪切(Shear vertical,SV)波在高温铝合金金属材料中的声场分析和瞬态传播有限元模型,研究了斜入射SV波在高温铝合金中的声场特性和传播规律。设计并制作了耐高温斜入射SV波电磁超声探头,对铝合金试块底部长20 mm×宽1 mm×高1 mm的人工U型槽在20℃~450℃高温条件下进行检测。研究结果表明,随着温度的升高,斜入射SV波的入射角逐渐减小,主瓣宽度先增大再减小,主旁瓣比依次递减,缺陷回波的飞行时间增加,回波幅值呈现先增加后减小的趋势。

基于SH0导波的电磁超声换能器设计与实验研究

传统基于周期性永磁体的电磁超声换能器结构较复杂,为此该文提出了一种由单一永磁体和导线阵列线圈构成的电磁超声换能器(EMAT)用于激发板中的SH0导波。首先叙述了设计的原理,并采用有限元软件进行三维数值仿真分析,利用水平极化永磁体垂直于板面的磁场在铝板中成功激发出SH0导波。为使EMAT换能效率达到最优,研究长和宽为10 mm×25 mm的永磁体,其高度及线圈匝数不同时EMAT激励的效率。仿真结果表明,选用永磁体高度为25 mm及线圈匝数为37时EMAT换能效率和声场指向性较好。在此基础上,通过实验研究了不同线圈匝数对换能器换能效率的影响,实验结果与仿真结果一致,充分验证了该文设计EMAT的方法具有可行性。

Lamb波电磁超声换能器三维仿真研究

为提高电磁超声Lamb波换能器的换能效率,该文以铁磁性材料钢板为检测对象,对换能器进行建模并进行一系列的仿真研究。首先,使用Comsol仿真软件建立电磁超声Lamb波换能器仿真模型,对于换能器中的蛇形线圈激励电流参数、蛇形线圈几何及结构参数、方形永磁体几何参数对换能效率的影响进行仿真研究。结果表明,采用蛇形线圈和方形磁铁组成电磁超声Lamb换能器时,在所选参数范围内:对于线圈,增大激励电流幅值、线圈间距及线圈回折次数,减小线圈截面积、提离距离以及脉冲个数可以提高换能效率;对于永磁体,增大宽度和高度可以提高换能器效率,但是最终会趋于饱和状态。

电磁超声加载方式对Lamb波模态的影响

Lamb波因其指向性好、传播距离远、检测效率高等优点而被广泛应用于构件的无损检测中。但是,Lamb波在激发过程中往往是两个或多个模态同时被激发,而且通常每个模态波包的传播速度不尽相同,这就导致不同模态的Lamb波在后续信号分析中相互干扰,尤其是在缺陷信号的识别中。该文在分析Lamb波多模态特性的基础上,研究了电磁超声激发方式对Lamb波模态的影响,通过对电磁超声换能器加载方式的选择实现了对激发Lamb波模态的控制,提高了对应模态Lamb波的激发效率,并且增强了对非主模态Lamb波的抑制效果,从而减小了后续信号处理的难度,为实际检测中缺陷的识别、定位提供有效信息。

电磁超声导波在管道中螺旋向传播的机理研究

为了实现电磁超声导波对管道中不同方向裂纹缺陷的有效检测,研究了超声导波螺旋向传播的机理,设计了用于管道斜向裂纹缺陷检测的电磁超声螺旋向导波换能器。基于毕奥萨伐尔定律,建立了螺旋向导波换能器等效闭合线圈的数学模型;推导分析了电磁超声螺旋向导波换能器的磁感应强度与螺旋向导波主声束传播方向的关系;实验验证了不同角度的螺旋向导波传播机理与相应的裂纹缺陷检测能力。结果表明,电磁超声螺旋向导波主声束传播方向与线圈工作导线垂直,改变换能器线圈螺旋角度可控制电磁超声导波在管道中的传播方向,线圈螺旋角度不同的换能器可实现管道中不同斜向角度裂纹缺陷检测,为管道全向裂纹缺陷检测提供参考。

电磁超声换能器仿真分析与优化设计

利用对称性简化永磁体的有限元建模,建立了用于激发Lamb波的电磁超声换能器的三维模型,同时考虑高频情况下的集肤效应造成的计算困难,得出了多根电流产生涡流场的解析解,并结合均匀性设计实验,得到了电磁超声换能器参数对涡流强度和电磁场强度的影响规律。

基于电磁超声爬波法对空腔结构部位裂纹缺陷的检测

空腔结构部位的缺陷在缺陷检测中往往被漏检,是无损检测中的难点。爬波是一种在材料的曲面上传播的压缩波,对腔体表面和近表面缺陷非常敏感,为空腔结构部位的缺陷检测提供了可能。因此求解了爬波的频散方程,分析了爬波的频散特性和衰减特性;基于有限元方法(FEM)研究了电磁超声爬波和空腔的相互作用,分析了爬波对构件内部空腔缺陷的检测能力;对空腔结构中典型的三种内部缺陷进行了研究。最后采用电磁超声爬波检测系统对内部空腔上的裂纹进行了检测实验。仿真和实验结果表明:爬波不仅能够对空腔中难以检测的缺陷进行识别,还可以对缺陷进行定位,为高压电气设备的螺栓孔等空腔部位缺陷检测提供了新方法。

基于空间域谐波控制的电磁超声Lamb波模态抑制方法

电磁超声换能器(EMAT)激励的Lamb波中经常存在多种模式,给波形分析造成困难,甚至会干扰对缺陷信息的判断,从而导致误判。常规的EMAT线圈空间波数谱中含有谐波,谐波是造成多模式现象的重要原因。该文提出试件涡流密度分布(洛伦兹力分布)相当于对线圈电流密度分布的空间低通滤波,通过对线圈空间域进行有效设计从而抑制空间域谐波,进而实现激发单波数正弦形式的涡流密度分布。结合正弦脉冲宽度调制(SPWM)技术的特点,提出将时域中的SPWM技术应用于空间域以实现线圈参数设计。通过建立有限元仿真模型,仿真证明了正弦形式的涡流密度空间分布可以被激励。该文以激励S0模态Lamb波为例进行实验,实验结果表明,由波数谱中的3次谐波激励的A0模态被极大地抑制,抑制比为21dB。

铝薄板裂纹电磁超声导波B扫描检测实验研究

采用Disperse软件,计算了3 mm厚度铝合金薄板的水平剪切(Shear horizontal,SH)导波频散曲线,设计制作了中心频率为0.22 MHz的SH导波电磁超声换能器(Electromagnetic acoustic transducer,EMAT),对铝薄板试样中直裂纹进行了B扫成像检测实验分析,采用同步挤压小波变换(Synchrosqueezed wavelet transform,SWT)对来自铝薄板试样中直裂纹SH导波信号进行了去噪处理。实验结果表明,SWT可以去除原始导波信号中的噪声,并实现导波模态分离,有助于改善B扫图像的质量。所设计的SH导波EMAT能够有效地检出3 mm厚铝薄板试样中10 mm长、1 mm宽、2 mm深的人工直裂纹。

大口径火炮身管药室内膛裂纹电磁超声表面水平剪切波检测方法

大口径火炮身管药室内膛在射击过程中承受高温高压,易产生网状多裂纹,对安全性能造成隐患,但传统检测手段对内壁清洁度要求较高,且检测周期长。为此,提出基于电磁超声表面水平剪切波(SH波)的身管药室内膛裂纹检测方法,对缺陷进行检测。建立表面SH波电磁超声换能器的辐射声场有限元模型,分析永磁体长度和对数对辐射声场的影响,对电磁超声换能器设计参数进行优化。在研究表面SH波声场特征的基础上,建立表面SH波在含有交叉裂纹的身管药室中传播的有限元模型,分析表面SH波与不同夹角裂纹缺陷的作用规律,并通过实验予以验证。结果表明,当使用12对长度为20 mm的永磁体制成的电磁超声换能器时,能够对10 mm×1 mm×2 mm的交叉裂纹进行检测,分析裂纹夹角与回波幅值的影响规律,为身管药室内膛多裂纹检测提供了可靠依据。

一种优化激发电磁超声Lamb波的方法

超声Lamb波的频散特性和多模式特性导致回波信号复杂难于分辨。为了解决该问题,结合电磁超声换能器(EMAT)的主要设计参数和Lamb波的特征方程,推导电磁超声Lamb波的激发方程和激发曲线。通过选取电磁超声Lamb波在激发曲线上的工作点以削弱多模式和频散现象,进而提出了一种优化激发电磁超声Lamb波的方法。采用该方法分析了零模式Lamb波在工程应用中的有效性,并进行了试验验证。

在套管中激发环向传播的准SH波的有限元模拟及实验研究

目前评价固井质量的声波测井方法均是在井内泥浆中辐射声波,再耦合到套管中激发套管波,这种测量方式在重泥浆或含气的井筒内应用时受到了限制.本文将电磁超声换能器引入到套管井中,无需井内介质的声耦合直接在套管中激发沿着套管轴向偏振、周向传播的准SH波.利用多物理场有限元仿真技术优化设计了磁盘阵列式的偏置磁场和跑道型线圈结构的电磁超声换能器,基于洛伦兹力机理实现了在铁磁材料的套管中激发和接收环向传播的准SH波的电磁超声转换技术.根据优化设计结构在实验室研制了电磁超声换能器,有限元模拟和实验室测量均观测到了沿套管环向传播的零阶及一阶准SH波.有限元模拟结果还显示在胶结良好的套管井中,准SH波一边沿着套管环向传播,一边向水泥环中辐射准SH波;在水泥和地层界面准SH波还会发生反射,再耦合到套管中被接收器接收到,通过对比硬地层和软地层两种套管井模型中接收的反射波信息,可观测到反射的准SH波相位相反,反射波和直达波的相位变化充分验证了准SH波的传播特征.

曲面构件斜入射SV波EMAT辐射声场特性分析

为了解决曲面构件的凹凸检测面的曲率半径对斜入射垂直剪切波(SV波)电磁超声换能器(EMAT)的缺陷检测分辨率/灵敏度和定位/定量偏差影响这一问题,建立了基于圆弧曲面(凹面和凸面)检测面的斜入射SV波EMAT辐射声场有限元模型,研究了曲折线圈匝数、弧面曲率对斜入射SV波的主瓣峰值、主瓣宽度、主旁瓣比和入射角的影响,并对仿真结果进行实验验证。结果表明,当曲折线圈匝数相同时,凸面检测面的SV波幅值相比于平面检测面提高34.8%以上,主瓣宽度减小43.8%;当曲折线圈匝数由10匝增至30匝时,凸面检测面的SV波幅值提高42.3%,主瓣宽度减小43.6%;凸面检测面的SV波声场特性均优于平面和凹面;曲面曲率半径对斜入射SV波主瓣峰值、主瓣宽度和主旁瓣比有显著影响。