电磁超声换能器有限元辐射声场指向性表面波论文.doc

电磁超声换能器的机理研究及其仿真分析【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.更多还原【Abstract】 Distinguished from Piezoelectric ultrasonic testing technology, electromagnetic acoustic technology has many advantages, such as inspection without coupling agent, stimulated different mode wave easily and so on, attracts attention highly in Nondestructive Testing field. Because of complexity and diversity of the electromagnetic acoustic transducer, apply ANSYS to simulate and analyze it based on study and understanding of electromagnetic acoustic transducer mechanism at home and abroad.Analyze .更多还原 【关键词】 电磁超声换能器； 有限元； 辐射声场； 指向性； 表面波； 【Key words】 Electromagnetic Ultrasonic Transducer； Finite Element； Radiated Sound Field； Orientation； Ultrasonic Surface Wave； 摘要 8-9 Abstract 9 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