專利名稱：電磁超聲體波換能器設計方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電磁超聲體波換能器的設計方法。
背景技術：
電磁超聲體波換能器可以在金屬試件中有效地激發(fā)出超聲體波，在電磁超聲無損檢測和無損評估領域得到了廣泛應用。為方便產生和接收體波信號，電磁超聲體波換能器一般工作模式為收發(fā)一體模式，即一個電磁超聲體波換能器既產生體波又接收體波回波信號。電磁超聲體波換能器線圈形式主要有螺旋線圈、跑道線圈和蝶形線圈三種，并且不同形式的線圈需要配以相應的磁場來有效激發(fā)體波。其中螺旋線圈配以圓柱形永磁體的電磁超聲體波換能器尺寸小，結構簡單，激發(fā)體波分布對稱，應用也最廣泛。但是，與壓電超聲技術相比，電磁超聲體波換能器激發(fā)的體波信號較弱，并且激發(fā)的體波信號中波模式較多，影響了缺陷回波信號的有效判斷。發(fā)明內容
本發(fā)明為了解決現有電磁超聲體波換能器激發(fā)體波信號弱以及激發(fā)體波信號中波模式較多的問題，而提出的一種電磁超聲體波換能器設計方法。
本發(fā)明為解決上述技術問題采取的技術方案是:
一種電磁超聲體波換能器設計方法，所述設計方法是基于包括永磁體、電磁超聲換能器線圈、待測金屬試件、細化層、缺陷和空氣遠場的換能器模型來進行的；所述永磁體為圓柱形永磁體；所述電磁超聲換能器線圈為螺旋線圈結構，用來在金屬試件中產生和接收體波；所述細化層位于電磁超聲體波換能器線圈下方待測金屬試件內；所述缺陷為圓柱形缺陷，位于待測金屬試件底部；
所述設計方法的具體過程為:
步驟一:定義建模所需要的參數，其中主要參數包括永磁體的直徑d和高度h，電磁超聲換能器線圈中導線的間距a，寬度w和匝數η ；
步驟二:建立包括永磁體、電磁超聲換能器線圈、金屬試件、細化層、缺陷和空氣遠場的幾何模型；
步驟三:設定材料屬性；永磁體設定為磁性材料；電磁超聲換能器線圈設定為漆包線；金屬試件設定為待測金屬材料；細化層設定為待測金屬材料；缺陷和空氣遠場設定為空氣；
步驟四:劃分物理場求解區(qū)域；所述的物理場包括電磁超聲換能器發(fā)射和接收過程中涉及的兩個物理場一結構場和電磁場；所述的結構場求解區(qū)域包括金屬試件和細化層；所述的電磁場求解區(qū)域包括永磁體、電磁超聲體波換能器線圈、金屬試件、細化層、缺陷和空氣遠場；
步驟五:發(fā)射過程建模；所述電磁場求解區(qū)域的初始磁矢位為O ;所述結構場求解區(qū)域初始位移和初始速度均為O ;所述永磁體磁場方向為垂直方向；所述電磁超聲體波換能器接收線圈通入一定頻率的Tone-Burst信號；所述細化層為結構場的體力載荷施加區(qū)域，體力載荷為電磁場計算得到的洛倫茲力；
步驟六:接收過程建模；所述電磁場求解區(qū)域的初始磁矢位為O ;所述結構場求解區(qū)域初始位移和初始速度均為O ;所述永磁體磁場方向為垂直方向；所述細化層為電磁場的速度感應區(qū)域，即結構場的超聲波振動切割磁力線在電磁超聲體波換能器線圈中感應出電壓信號；
步驟七:有限元分網；所述永磁體電磁超聲體波換能器線圈、金屬試件、細化層、缺陷和空氣遠場采用四面體單元進行分網；所述細化層分網時進行網格細化，增加模型計算精度；
步驟八:有限元求解；所述結構場和電磁場采用有限元方法求解，計算金屬試件中的渦流、洛倫茲力、超聲波分布以及電磁超聲體波換能器線圈中引起的感應電壓信號；
步驟九:改變永磁體的直徑d和高度h，電磁超聲換能器線圈中導線的間距a，寬度w和匝數n，建立不同參數的電磁超聲體波換能器發(fā)射和接收過程完整模型，并求解電磁超聲體波換能器線圈中引起的感應電壓信號；
步驟十:獲得電磁超聲體波換能器主要參數與電磁超聲體波換能器線圈中感應電壓信號強度和聲波模式純度的關系；
步驟十一:從步驟十給出的關系中找出影響電磁超聲體波換能器線圈中感應電壓信號強度和聲波模式純度的關鍵參數，計算電磁超聲體波換能器信號最強和聲波模式最優(yōu)時換能器參數，對電磁超聲體波換能器進行設計。
本發(fā)明的有益效果是:
本發(fā)明所述一種新型電磁超聲體波換能器設計方法以電磁超聲體波換能器發(fā)射和接收過程完整建模為基礎，最終實現電磁超聲體波換能器的設計；本發(fā)明所述電磁超聲體波換能器發(fā)射和接收過程完整建模涵蓋電磁場和結構場，將電磁超聲換能器工作過程準確完整的描述出來，而且建模過程簡單，可以靈活改變電磁超聲體波換能器參數，計算不同參數條件下電磁超聲體波換能器線圈2中感應電壓信號；本發(fā)明所述電磁超聲體波換能器設計可以分析電磁超聲體波換能器參數與電磁超聲體波換能器線圈2中感應電壓信號強度和聲波模式純度的關系，計算電磁超聲體波換能器信號最強和聲波模式最優(yōu)時換能器參數，實現電磁超聲體波換能器設計。本發(fā)明提出的一種新型電磁超聲體波換能器設計方法具有操作簡單，以及易于分析電磁超聲體波換能器參數對感應電壓信號影響的特點。本發(fā)明可廣泛用于任何電磁超聲體波換能器的有限元設計。


圖1為實現本申請所述一種新型電磁超聲體波換能器設計方法的模型示意圖；圖2為電磁超聲體波換能器線圈2的結構示意圖，圖中X表示電流流向垂直紙面向內，.表示電流流向垂直紙面向外；2_1和2-2分別為電流流向相同的兩組導線組合；圖3為電磁超聲體波換能器線圈2通入的Tone-Burst信號示意圖；圖4為具體實施方式
二中電磁超聲體波換能器線圈2接收到的感應電壓信號；圖5為具體實施方式
二中參數分析階段不同導線寬度w對接收感應電壓的影響。
具體實施方式
具體實施方式
一:結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式所述一種新型的電磁超聲體波換能器建模與優(yōu)化設計方法，實現所述設計方法需要對電磁超聲體波換能器發(fā)射和接收過程進行完整建模，準確描述電磁超聲體波換能器工作過程，分析不同換能器參數對接收回波信號強度和聲波模式純度的影響，從而獲得性能參數最優(yōu)的換能器參數組合，對電磁超聲體波換能器進行設計；所述模型主要包括永磁體1、電磁超聲換能器線圈2、待測金屬試件3、細化層4、缺陷5和空氣遠場6 ;所述永磁體I為圓柱形永磁體；所述電磁超聲換能器線圈2為螺旋線圈結構，用來在金屬試件3中產生和接收體波；所述細化層4位于電磁超聲體波換能器線圈2下方待測金屬試件3內；所述缺陷5為圓柱形缺陷，位于待測金屬試件3底部；
所述一種新型電磁超聲體波換能器設計過程由如下步驟完成:
步驟一:定義建模所需要的參數，其中主要參數包括永磁體I的直徑d和高度h，電磁超聲換能器線圈2中導線的間距a，寬度w和匝數η ；
步驟二:建立包括永磁體1、電磁超聲換能器線圈2、金屬試件3、細化層4、缺陷5和空氣遠場6的幾何模型；
步驟三:設定材料屬性；永磁體I設定為磁性材料；電磁超聲換能器線圈2設定為漆包線；金屬試件3設定為待測金屬材料；細化層4設定為待測金屬材料；缺陷5和空氣遠場6設定為空氣；
步驟四:劃分物理場求解區(qū)域；所述的物理場包括電磁超聲換能器發(fā)射和接收過程中涉及的兩個物理場一結構場和電磁場；所述的結構場求解區(qū)域包括金屬試件3和細化層4 ;所述的電磁場求解區(qū)域包括永磁體1、電磁超聲體波換能器線圈2、金屬試件3、細化層4、缺陷5和空氣遠場6 ；
步驟五:發(fā)射過程建模；所述電磁場求解區(qū)域的初始磁矢位為O ;所述結構場求解區(qū)域初始位移和初始速度均為O ;所述永磁體I磁場方向為垂直方向；所述電磁超聲體波換能器接收線圈2通入一定頻率的Tone-Burst信號；所述細化層4為結構場的體力載荷施加區(qū)域，體力載荷為電磁場計算得到的洛倫茲力；
步驟六:接收過程建模；所述電磁場求解區(qū)域的初始磁矢位為O ;所述結構場求解區(qū)域初始位移和初始速度均為O ;所述永磁體I磁場方向為垂直方向；所述細化層4為電磁場的速度感應區(qū)域，即結構場的超聲波振動切割磁力線在電磁超聲體波換能器線圈2中感應出電壓信號；
步驟七:有限元分網；所述永磁體1、電磁超聲體波換能器線圈2、金屬試件3、細化層4、缺陷5和空氣遠場6采用四面體單元進行分網；所述細化層4分網時進行網格細化，增加模型計算精度；
步驟八:有限元求解；所述結構場和電磁場采用有限元方法求解，計算金屬試件3中的渦流、洛倫茲力、超聲波分布以及電磁超聲體波換能器線圈2中引起的感應電壓信號；
步驟九:改變永磁體I的直徑d和高度h，電磁超聲換能器線圈2中導線的間距a，寬度w和匝數n，建立不同參數的電磁超聲體波換能器發(fā)射和接收過程完整模型，并求解電磁超聲體波換能器線圈2中引起的感應電壓信號；
步驟十:分析電磁超聲體波換能器主要參數與電磁超聲體波換能器線圈2中感應電壓信號強度和聲波模式純度的關系；感應電壓信號強度和聲波模式純度是電磁超聲體波換能器的指標；電磁超聲體波換能器主要參數對這兩個指標有影響；
步驟十一:找出影響電磁超聲體波換能器線圈2中感應電壓信號強度和聲波模式純度的關鍵參數(電磁超聲體波換能器主要參數中某些參數)，計算電磁超聲體波換能器信號最強和聲波模式最優(yōu)時換能器參數，對電磁超聲體波換能器進行設計。
具體實施方式
二:本實施方式中，在步驟五中，所述一定頻率的Tone-Burst信號的頻率為I IOMHz。其它步驟與具體實施方式
一相同。
實施例:結合圖1至圖5說明本實施例，本實施例為采用具體實施方式
一所述一種新型的電磁超聲體波換能器設計方法的具體實施例；
金屬試件3采用厚度為45_的圓柱形招塊，永磁體I采用釹鐵硼材料，與電磁超聲體波換能器線圈2的距離為Imm,永磁體I的直徑d為25mm,高度h為30mm,電磁超聲換能器線圈2中導線的間距a為Imm,寬度w為0.5mm,阻數η為16,電磁超聲體波換能器線圈2距離金屬試件3的距離為0.5mm,缺陷5高度為15mm,寬度為2mm,距離模型中心軸線距離為2_，電磁超聲體波換能器線圈2通入Tone Burst電流信號峰值為10A，頻率為2MHz，脈沖寬度為3.5μ S。本申請所述建模與優(yōu)化設計方法通過步驟一至步驟八可以獲得電磁超聲體波換能器線圈2中的感應電壓信號，如圖4所示。圖4中主沖擊信號7之后是電磁超聲體波換能器線圈2接收到的缺陷回波信號8和端面回波信號9。改變電磁超聲體波換能器線圈2中導線寬度W，通過步驟九至步驟十一獲得電磁超聲體波換能器線圈2中感應電壓的變化，如圖5所示。從圖5中可以得導線寬度w與導線間距a比值越小，感應電壓幅值越大，所以電磁超聲體波換能器線圈2應采用盡量細的導線制作。
以上內容是結合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發(fā)明所提交的權利要求書確定的專利保護范圍。
權利要求
1.一種電磁超聲體波換能器設計方法，所述設計方法是基于包括永磁體(I)、電磁超聲換能器線圈(2)、待測金屬試件(3)、細化層(4)、缺陷(5)和空氣遠場(6)的換能器模型來進行的；所述永磁體(I)為圓柱形永磁體；所述電磁超聲換能器線圈(2)為螺旋線圈結構，用來在金屬試件(3)中產生和接收體波；所述細化層(4)位于電磁超聲體波換能器線圈(2)下方待測金屬試件(3)內；所述缺陷(5)為圓柱形缺陷，位于待測金屬試件(3)底部； 其特征在于:所述設計方法的具體過程為: 步驟一:定義建模所需要的參數，其中主要參數包括永磁體(I)的直徑d和高度h，電磁超聲換能器線圈(2)中導線的間距a，寬度w和匝數η; 步驟二:建立包括永磁體(I)、電磁超聲換能器線圈(2)、金屬試件(3)、細化層(4)、缺陷(5)和空氣遠場(6)的幾何模型； 步驟三:設定材料屬性；永磁體(I)設定為磁性材料；電磁超聲換能器線圈(2)設定為漆包線；金屬試件(3)設定為待測金屬材料；細化層(4)設定為待測金屬材料；缺陷(5)和空氣遠場(6)設定為空氣； 步驟四:劃分物理場求解區(qū)域；所述的物理場包括電磁超聲換能器發(fā)射和接收過程中涉及的兩個物理場一結構場和電磁場；所述的結構場求解區(qū)域包括金屬試件(3)和細化層(4);所述的電磁場求解區(qū)域包括永磁體(I)、電磁超聲體波換能器線圈(2)、金屬試件(3)、細化層(4)、缺陷(5)和空氣遠場(6)； 步驟五:發(fā)射過程建模；所述電磁場求解區(qū)域的初始磁矢位為O ;所述結構場求解區(qū)域初始位移和初始速度均為O ;所述永磁體(I)磁場方向為垂直方向；所述電磁超聲體波換能器接收線圈(2)通入一定頻率的Tone-Burst信號；所述細化層(4)為結構場的體力載荷施加區(qū)域，體力載荷為電磁場計算得到的洛倫茲力； 步驟六:接收過程建模；所述電磁場求解區(qū)域的初始磁矢位為O ;所述結構場求解區(qū)域初始位移和初始速度均為O ;所述永磁體(I)磁場方向為垂直方向；所述細化層(4)為電磁場的速度感應區(qū)域，即 結構場的超聲波振動切割磁力線在電磁超聲體波換能器線圈(2)中感應出電壓信號； 步驟七:有限元分網；所述永磁體(I)、電磁超聲體波換能器線圈(2)、金屬試件(3)、細化層(4)、缺陷(5)和空氣遠場(6)采用四面體單元進行分網；所述細化層(4)分網時進行網格細化，增加模型計算精度；步驟八:有限元求解；所述結構場和電磁場采用有限元方法求解，計算金屬試件(3)中的渦流、洛倫茲力、超聲波分布以及電磁超聲體波換能器線圈(2)中引起的感應電壓信號；步驟九:改變永磁體(I)的直徑d和高度h，電磁超聲換能器線圈(2)中導線的間距a，寬度w和匝數n，建立不同參數的電磁超聲體波換能器發(fā)射和接收過程完整模型，并求解電磁超聲體波換能器線圈(2)中引起的感應電壓信號； 步驟十:獲得電磁超聲體波換能器主要參數與電磁超聲體波換能器線圈(2)中感應電壓信號強度和聲波模式純度的關系； 步驟十一:從步驟十給出的關系中找出影響電磁超聲體波換能器線圈(2)中感應電壓信號強度和聲波模式純度的關鍵參數，計算電磁超聲體波換能器信號最強和聲波模式最優(yōu)時換能器參數，對電磁超聲體波換能器進行設計。
2.根據權利要求1所述的一種電磁超聲體波換能器設計方法，其特征在于:在步驟五中，所述一定頻率的Tone-B urst信號的頻率為I IOMHz。
全文摘要
電磁超聲體波換能器設計方法，它涉及一種電磁超聲體波換能器的設計方法。本發(fā)明為了解決現有電磁超聲體波換能器激發(fā)體波信號弱以及激發(fā)體波信號中波模式較多的問題。主要步驟定義建模所需要的參數；建立各部分的幾何模型；設定材料屬性；劃分物理場求解區(qū)域；發(fā)射過程建模；接收過程建模；有限元分網及有限元求解；找出影響電磁超聲體波換能器線圈2中感應電壓信號強度和聲波模式純度的關鍵參數，計算電磁超聲體波換能器信號最強和聲波模式最優(yōu)時換能器參數，對電磁超聲體波換能器進行設計。本發(fā)明方法具有操作簡單，以及易于分析電磁超聲體波換能器參數對感應電壓信號影響的特點。本發(fā)明可廣泛用于任何電磁超聲體波換能器的有限元設計。
文檔編號G06F17/50GK103150449SQ20131009954
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月26日 優(yōu)先權日2013年3月26日
發(fā)明者翟國富, 汪開燦, 王亞坤, 蔣韜, 邱玉, 王吉宇, 蔣川流, 康磊, 王淑娟 申請人:哈爾濱工業(yè)大學