Lamb wave signal selective enhancement by an improved design of meander-coil electromagnetic acoustic transducer

In this paper, we investigate a method of selectively enhancing the single mode signal of a Lamb wave by using a meander-coil electromagnetic acoustic transducer （EMAT） with a new magnetic configuration. We use the Lamb antisym- metric （A0） mode and symmetric （SO） mode as an example for analysis. The analytical expression of the magnitude of the spatial Fourier transform of the Lorentz force generated by different meander coils is used to determine the optimal driving frequency for single mode generation. The numerical calculation is used to characterize the new magnetic configuration and the conventional EMAT magnet. Experimental examinations of each meander coil in combination with the conventional and new magnetic configuration show that the Lamb wave signal can be selectively enhanced by choosing the appropriate driving frequency and coil parameters through using the improved meander-coil EMAT.

曲折线圈EMAT偏置磁场优化设计及其实验研究

针对曲折线圈电磁超声换能器(EMAT)换能效率低的问题,建立了曲折线圈EMAT检测过程有限元模型,分析了3种常见的永磁体组合方式对EMAT换能效率的影响,研究了3种组合方式下永磁体几何参数对金属试样表层偏置磁感应强度的影响规律,并给出了偏置磁场强度最大时对应的永磁体最佳几何参数。为验证仿真结果,采用3种组合形式的永磁体制作EMAT探头,并在铝板中激励0.9 MHz表面波和2 MHz斜入射偏振剪切波(SV波)。研究结果表明,当永磁体宽度为EMAT曲折线圈宽度的0.8左右时,曲折线圈EMAT换能效率最高。改进U型永磁体组合可显著提高金属试样表面的偏置磁场强度。

基于点聚焦表面波EMAT的钢轨踏面检测实验研究

曲折线圈电磁超声换能器(EMAT)换能效率低,对钢轨踏面小缺陷检测能力有限,为此,设计了一种采用圆弧曲折线圈制作而成并与钢轨踏面自适应贴合的点聚焦表面波EMAT。建立了点聚焦表面波EMAT的三维有限元模型,模拟钢板中圆孔和槽型缺陷的检测。分别用点聚焦表面波EMAT和曲折线圈表面波EMAT对钢板试样中的圆孔和U型槽进行检测对比实验。研究结果表明,点聚焦表面波EMAT能检测出曲折线圈表面波EMAT无法检出的Φ4 mm、Φ7 mm圆孔,且U型槽的检测回波幅值是曲折线圈表面波EMAT的2倍以上,极大程度地提高了小缺陷的回波信噪比和检出能力。

Barker码脉冲压缩技术在铝合金电磁超声表面波检测的应用研究

针对高温铝合金铸锻件在大提离、表面粗糙等恶劣条件下进行在线、快速检测时电磁超声检测回波信噪比差这一问题,建立了基于Barker码脉冲压缩技术的曲折线圈电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer, EMAT)检测过程有限元模型。采用正交试验表,分析了Barker码码元周期数、EMAT设计参数等对脉冲压缩后的主瓣峰值和主瓣宽度的影响,分别获取了主瓣峰值/主瓣宽度最佳的EMAT参数组合,并通过实验加以验证;比较了不同同步平均次数和提离距离时传统猝发音驱动方式和Barker码脉冲压缩技术对应的检测回波信噪比,并验证了Barker码脉冲压缩技术在无同步平均条件下对长5 mm×宽1 mm×深0.5 mm裂纹的检测能力。结果表明:在提离为0.3 mm时,与16次同步平均抑噪的猝发音驱动方式相比,采用Barker码脉冲压缩技术在无同步平均条件下可以将超声回波信噪比提高4.0 dB。在提离为1.3 mm和无同步平均的条件下,猝发音驱动方式难以获取足够信噪比的超声回波,而通过Barker码脉冲压缩技术则可以将超声回波的信噪比提高20.3 dB。对于长5 mm×宽1 mm×深0.5 mm裂纹,16次同步平均抑噪的猝发音驱动方式无法可靠获取缺陷波,而采用无同步平均的Barker码脉冲压缩技术,其缺陷波信噪比可达12.0 dB,较32次同步平均抑噪的猝发音驱动方式提高了2.0 dB。

表面波电磁声换能器的设计

简要介绍了产生表面波的电磁声换能器(EMAT)的工作原理,设计,制作了收发分开的两种EMAT,并建立了实验测试系统、测量了信号和发射EMAT提离距离的关系曲线,研究了激励脉冲个数、接收线圈的匝数对换能器信号的影响等。

曲折线圈电磁超声换能器激励性能优化设计

针对电磁超声换能器EMAT(Electromagnetic Acoustic Transducer)换能效率较低的问题,以铝板为研究对象,对传统的表面波电磁超声换能器进行了有限元建模及参数优化。分析了激励EMAT的换能机理,建立曲折线圈EMAT检测过程的有限元模型,并基于正交试验设计方法进行优化设计,分析了永磁体尺寸、线圈设计参数、线圈层数及层间距、线圈连接方式等因素对EMAT激励效率的影响规律,得到了激励EMAT探头的最佳参数组合。研究结果表明,永磁体高度越高,宽度越窄,曲折线圈导线宽度越窄,导线高度越低,双层线圈间距越小,背板与上层线圈间距越小,并采用分裂线圈,EMAT探头的换能效率最高;多层曲折线圈之间采用并联连接相比串联连接换能效率提高50%以上,且并联曲折线圈层数不宜过多也不宜过少。