正交试验理论线聚焦电磁超声换能器优化设计

为提高线聚焦电磁超声换能器(LF-EMAT)的聚焦性能,通过有限元模拟进行27次八因素三水平正交试验。首先分析激励频率和焦线位置对聚焦性能的影响;然后采用正交试验方法分析永磁体宽度和高度、线圈宽度和高度、线圈匝数、最后一个线源位置、提离距离和激励电流对面内位移、面外位移、总位移的影响程度;最后选用最优参数组合建立优化后的模型并与原始模型进行比较。结果表明:在合适的范围内,激励频率越小,即线圈间距较稀疏,更有利于提高位移幅值;焦线位置小的线聚焦EMAT产生的SV波具有较好的聚焦性能和方向性;优化后电磁超声换能器涡流和洛伦兹力的瞬时最大值分别提高3.013倍和4.073倍,面内位移幅值增长为优化前的3.664倍。

一种新型窄磁铁聚焦式电磁超声表面波换能器

窄磁铁电磁超声换能器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)利用较强的边缘磁场能够在铝板中激发出比常规EMAT幅值更大的超声波信号,但是窄磁铁磁场会导致激发的波形发生畸变,从而影响超声检测的可靠性。该文设计出一种新型窄磁铁聚焦式表面波EMAT,不仅修正窄磁铁磁场引起的波形畸变,而且使得激发的表面波幅值得到有效提升。首先,考虑磁场、相位、洛伦兹力贡献度等因素,推导出窄磁铁EMAT激励超声的合成公式,并通过并联分裂导线排布实现对波形畸变和频率偏移的修正。其次,研究磁铁与线圈尺寸参数对换能器激励效率的影响,并通过三维仿真对超声传播特性和聚焦效果进行分析。最后,制备窄磁铁聚焦式EMAT并进行表面波激励实验,结果表明:该文设计的表面波EMAT不仅实现对窄磁铁磁场引起的波形畸变的修正,而且同等磁通密度下激发的表面波信号时域幅值比常规EMAT提高55.92%,频域基频幅值提升69.7%,这为电磁超声表面波换能效率的提升及缺陷检测信号的有效提取提供新方法。

厚壁铝管斜入射线聚焦垂直剪切波电磁超声探头设计

为将斜入射线聚焦垂直剪切(SV)波用于厚壁铝管缺陷探伤,提出了用于激励SV波的曲面曲折线圈优化设计方法。以不同曲率工件为检测对象,研究了以平面、平面弯曲及优化曲面的曲折线圈为主要元件的三种仿真模型,结果表明,优化曲面的曲折线圈在大曲率工件中的改进效果最为明显,其指向性精度最高可提高14.53%,探伤幅值最大可增强37.42%。最后以厚壁铝管直径4 mm横通孔为人工缺陷开展试验研究,发现最大曲率管的探伤幅值增大了338.84%。

电磁超声兰姆波换能器在金属板检测中的优化

为了提高电磁超声波在金属板中的传播距离,研究了金属板检测中的电磁超声兰姆波换能器的换能机理.通过分析兰姆波在金属板中传播的频散曲线,得出低频率范围内A0、S0模态兰姆波具有远传特性.对兰姆波换能器进行仿真计算,分析了在单极型永磁铁和马蹄形磁铁作用下,线圈受到的磁感应强度和洛伦兹力的分布情况,并对马蹄形兰姆波换能器进行了实验研究.结果表明,当激励频率为400 kHz时,S0模态兰姆波得到了有效抑制,使A0模态兰姆波幅值达到最大,传播距离可达18 m;在马蹄形磁铁作用下,兰姆波换能器的有效检测距离是单极型磁铁的1.8倍.

电容式微机械超声换能器线阵的设计及超声成像

随着微电子机械系统(MEMS)技术的发展,电容式微机械超声换能器(CMUT)以其良好的特性在超声成像领域获得越来越多的关注,为了验证不同结构的CMUT线阵对超声成像分辨率的影响,提出一种CMUT成像方法。首先设计了一种CMUT结构,中心频率为3 MHz,以全聚焦成像理论为基础,通过MATLAB仿真,构建了CMUT模型和散射点,模拟了CMUT线阵在水下的全聚焦成像,仿真结果表明了128阵元且中心间距为0.5λ的CMUT结构成像效果最好,并搭建CMUT水下测试系统,测试了设计的CMUT的发射性能、接收性能和成像效果,C-V特性曲线显示,直流偏置电压为0 V,CMUT静态电容为732 pF。薄膜振动形态均匀圆润,最大振动位移可达到543.57 pm,最大振动速度可达6.683 mm/s,发射波形和接收波形不失真,实现了二维水下超声成像,证明了水下目标体的存在,完全可以满足成像要求,且仿真结果与理论一致,为后续的CMUT阵列成像系统提供了参考依据。

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。

基于相控技术的钢板电磁超声检测方法

为了提高钢板中电磁超声回波信号,提出了一种基于相控技术的钢板电磁超声检测方法.研究了相控聚焦技术和钢板中电磁超声换能器的换能机理,通过多阵元组成激发换能器阵列,运用延时法使超声波在目标区等相位叠加,实现超声波聚焦,并在Q235钢板上采用分立式结构进行实验验证.结果表明:该方法有效弥补了收发换能器间声程差引起的相位偏移,激励电压一致时,658 mm处接收的回波信号幅值提高为中心换能器单独激发时的2倍;采用三阵元激励换能器阵列检测方法可实现缺陷处的超声波聚焦,520 mm处缺陷回波幅值提高为中心换能器单独激发时的1.83倍.

板状结构缺陷电磁超声导波检测技术研究进展

概述了国内外板状结构缺陷电磁超声导波检测技术的研究进展。从激发兰姆波的电磁超声换能器(EMAT)技术、EMAT的优化设计、超声导波聚焦、EMAT接收信号超声波成像技术等方面,对板状结构缺陷无损检测技术取得的突破进行了评述。提出了有待进一步解决的问题。

基于COMSOL的线聚焦EMAT声场特性仿真分析

为了提高电磁超声线聚焦换能器的线聚焦性能,增强对微小缺陷的检测效果,利用COMSOL软件对线聚焦电磁超声换能器(EMAT)的激发过程进行了数值模拟,研究了线聚焦EMAT所激发超声波的声场特性,分析了激励周期、线圈匝数和聚焦距离对线聚焦性能的影响。研究结果表明:适当增加激励周期、减小聚焦距离既可以增大线聚焦主瓣峰值,又可以减小线聚焦声束宽度,有利于获得更好的线聚焦效果;在进行线聚焦EMAT设计时应选择适当的线圈匝数,匝数过多和过少均不利于提高换能器的线聚焦性能。

厚壁管道线聚焦斜入射SV波EMAT辐射声场分析

由于圆弧型检测面的曲率半径对斜入射SV波EMAT辐射声场的影响规律尚不清楚,导致厚壁管道线聚焦斜入射SV波EMAT的缺陷检测能力、缺陷定量/定位精度出现偏差。建立了基于平面/凸面检测面的线聚焦斜入射SV波EMAT的辐射声场有限元模型,研究了凸面检测面的曲率半径、EMAT曲折线圈匝数、设计初始角等因素对辐射声场的主瓣峰值和主瓣宽度的影响规律,并与平面检测面进行了对比。结果表明,与平面检测面相比,凸面检测面起到聚焦超声波的作用,具体表现在聚焦侧主瓣峰值增加22.76%,主瓣宽度减小10.56%。在曲折线圈匝数超过28匝后,线圈匝数的增加对主瓣峰值加强作用有限;当曲率半径为1.485×10-1 m,线圈设计初始角为10°,曲折线圈匝数由10匝增加至28匝时,线聚焦SV波主瓣峰值增加102.56%,主瓣宽度减小57.99%。

泌尿系统治疗用HIFU换能器的设计

高强度聚焦超声技术是‘种将超声能量聚焦于人体深部组织的狭小区域,形成足够高的声强,使组织瞬时在局部产生高温、无创性局部治疗肿瘤的新技术。近年来,泌尿系统疾病发病率迅速上升,尤其是前列腺疾病发病率高,相关的并发症也较多,已成为威胁男性生命健康的重要疾病。本文应用高强度聚焦超声技术,设计了治疗泌尿系统疾病的线阵换能器。仿真结果证明:该换能器的卢场能量集中,声强峰值尖锐,焦点尺十小,聚焦效果好,可以达到有效无损治疗的目的。