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基于Halbach阵列的电磁超声换能器的仿真设计

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信息技术与信息化 2024年第4期 170-173页

作者：高明阳李松松高磊张佳琪刘璇大连海洋大学辽宁大连116000

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... 详细信息

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。

关键词：电磁超声换能器 Lamb波 Halbach阵列换能效率

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电磁超声换能器三维有限元分析及优化设计

中国电机工程学报 2009年第30期29卷 123-128页

作者：王淑娟康磊李智超翟国富哈尔滨工业大学电气工程学院黑龙江省哈尔滨市150001

电磁超声换能器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)设计理论的不足严重限制了电磁超声检测技术的进一步发展。为了从根本上解决该问题,对用于铝板表面检测的电磁超声表面波换能器进行了三维有限元建模和仿真分析,发现换能器的... 详细信息

电磁超声换能器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)设计理论的不足严重限制了电磁超声检测技术的进一步发展。为了从根本上解决该问题,对用于铝板表面检测的电磁超声表面波换能器进行了三维有限元建模和仿真分析,发现换能器的几何参数对EMAT的换能效率具有重要影响。为此,在所建模型基础上,利用正交试验设计方法选取了影响换能效率的关键参数,确定EMAT设计的基本准则,并依次对EMAT线圈和永磁体进行了优化设计。实验表明,优化后的电磁超声信号幅值增长为优化前的2.99倍,在三维有限元模型基础上利用正交试验设计方法能够有效地对EMAT进行优化设计。

关键词：电磁超声换能器三维有限元分析优化设计正交试验设计关键参数

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电磁超声换能器的三维有限元分析

电工技术学报 2013年第8期28卷 7-12页

作者：刘素贞张闯金亮张艳浩蔡智超杨庆新河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室天津300130 天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室天津300387

电磁超声换能器在工作中涉及到电场、磁场、力场和声场的相互耦合和转化,变量较多,尤其是在声场分析时更为复杂。本文采用ANSYS有限元仿真软件对电磁超声换能器进行仿真,得到了电磁超声换能器换能过程中其电场、磁场、力场的分布规律和... 详细信息

电磁超声换能器在工作中涉及到电场、磁场、力场和声场的相互耦合和转化,变量较多,尤其是在声场分析时更为复杂。本文采用ANSYS有限元仿真软件对电磁超声换能器进行仿真,得到了电磁超声换能器换能过程中其电场、磁场、力场的分布规律和主要特征;在电磁场模型的基础上,通过电磁结构耦合建立了声场模型,分析了表面波在被测试件中的辐射声场分布、指向性等规律,仿真结果和理论分析相吻合。

关键词：电磁超声换能器电磁场模型洛伦兹力声场模型表面波指向性

电磁超声换能器激发超声兰姆波的模式展开分析

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声学学报 2014年第3期39卷 385-391页

作者：李明亮邓明晰高广健后勤工程学院重庆401331

提出一种用于研究电磁超声换能器(***)激发超声兰姆波的模式展开分析方法。从EMAT曲折线圈的电流分布出发,推导出铝板表面洛伦兹切向应力的形式解;对其进行空间傅里叶变换,得到激发超声兰姆波的表面驱动应力之波数谱密度。在此基础上采... 详细信息

提出一种用于研究电磁超声换能器(***)激发超声兰姆波的模式展开分析方法。从EMAT曲折线圈的电流分布出发,推导出铝板表面洛伦兹切向应力的形式解;对其进行空间傅里叶变换,得到激发超声兰姆波的表面驱动应力之波数谱密度。在此基础上采用导波激发的模式展开分析方法,推导出与EMAT线圈的几何参数密切相关的兰姆波模式展开系数的数学表达式,为严格分析EMAT的兰姆波激发问题奠定了理论基础。数值分析结果表明,通过改变EMAT线圈的几何参数,可对兰姆波的模式展开系数进行适当调整,从而实现有效抑制不需要兰姆波模式的目的,这一结果为采用EMAT激发纯度高的单一兰姆波模式提供了理论依据。

关键词：电磁超声换能器超声兰姆波模式展开激发 EMAT 展开系数几何参数傅里叶变换

电磁超声换能器中电磁场及洛伦兹力的快速求解方法

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应用力学学报 2015年第3期32卷 390-395,4页

作者：李一力李勇刘相彪闫贝陈振茂西安交通大学机械结构强度与振动国家重点试验室核能结构安全检测与完整性评价研究中心西安710049

电磁超声换能器(EMAT)中电磁场及洛伦兹力的计算多采用有限元仿真,其运算量大且计算时间长;且已提出的EMAT解析模型未考虑换能器的关键部件,即永磁体;也没有推导其激发的三维非均匀静态磁场解析表达式,导致洛伦兹力的计算结果精度低。对... 详细信息

电磁超声换能器(EMAT)中电磁场及洛伦兹力的计算多采用有限元仿真,其运算量大且计算时间长;且已提出的EMAT解析模型未考虑换能器的关键部件,即永磁体;也没有推导其激发的三维非均匀静态磁场解析表达式,导致洛伦兹力的计算结果精度低。对此,本文基于ETREE(Extended Truncated Region Eigenfunction Expansion)解析法对EMAT进行数学建模,模型中引入了永磁体及其所激发的三维非均匀静态磁场,推导了EMAT的电磁场及洛伦兹力理论表达式。通过与有限元仿真的对比发现,采用本文提出的EMAT解析模型计算得到的电磁场及洛伦兹力与有限元仿真结果吻合很好,且解析求解计算耗时极少,从而验证了此方法的准确性和高效性。

关键词：电磁超声换能器电磁场洛伦兹力解析模型有限元仿真

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基于子母共位电磁超声换能器的平面波成像

传感器与微系统 2023年第11期42卷 23-26,30页

作者：王星宇郑阳周进节张宗健张吉堂中北大学机械工程学院山西太原030051 中国特种设备检测研究院北京100029

为了实现电磁超声相控阵单通道激励下的平面波成像(PWI),提升检测效率,设计了一种新型电磁超声相控阵换能器,命名为子母共位电磁超声换能器(EMAT)。该换能器将激发线圈与接收线圈分离,激发线圈为整体线圈,接收线圈为分离多通道线圈,两... 详细信息

为了实现电磁超声相控阵单通道激励下的平面波成像(PWI),提升检测效率,设计了一种新型电磁超声相控阵换能器,命名为子母共位电磁超声换能器(EMAT)。该换能器将激发线圈与接收线圈分离,激发线圈为整体线圈,接收线圈为分离多通道线圈,两类线圈共用一组磁体。该换能器可降低实验仪器操作复杂性,使得不需要相控阵全通道激发,采用单通道激励即可以实现电磁超声平面波成像。本文使用子母共位电磁超声换能器对“斜向排列”的2 mm直径阶梯横通孔缺陷进行成像检测,结果表明:常规平面波算法检测的纵向定位误差在0.5 mm范围内,横向定位误差在2 mm范围内,采用相位相干算法可辅助提升成像信噪比(SNR),表明该类型换能器对于平面波成像快速检测是适用的。

关键词：电磁超声换能器无损检测平面波成像缺陷识别

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单向表面波电磁超声换能器优化设计

中国测试 2023年

作者：兰菊 Emmanuel E.Gdoutos 贾晓娟高瑞贞张京军河北工程大学机械与装备工程学院 Democritus University of Thrace

电磁超声表面波因在板材中的水平方向上传播时具有能量衰减较慢的特性，故广泛应用于板材的表面或近表面缺陷检测。相较于双向表面波，单向表面波能量集中在换能器的一个方向，从而使增强侧的表面波更能够识别微小缺陷。为提高单向表面... 详细信息

电磁超声表面波因在板材中的水平方向上传播时具有能量衰减较慢的特性，故广泛应用于板材的表面或近表面缺陷检测。相较于双向表面波，单向表面波能量集中在换能器的一个方向，从而使增强侧的表面波更能够识别微小缺陷。为提高单向表面波换能器对微小缺陷的检测灵敏度和精度，该文提出一种基于Halbach阵列的永磁铁结构，对比优化前后的磁场、涡流、洛伦兹力及位移场分布；研究分析在增强侧表面波遇到不同裂纹缺陷的响应特征，对微小裂纹进行定位分析，并通过仿真分析得出反射系数、透射系数与微小裂纹深度、宽度、倾角之间的变化曲线，实现对微小裂纹缺陷的量化分析。

关键词：电磁超声换能器单向表面波仿真分析优化设计裂纹缺陷响应特征

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电磁超声换能器线圈设计与提高换能效率研究

传感技术学报 2016年第1期29卷 29-34页

作者：范吉志吴运新石文泽龚海谭良辰中南大学高性能复杂制造国家重点实验室长沙410083 中南大学机电工程学院长沙410083

提出了一种提高电磁超声换能器EMAT(Electromagnetic Acoustic Transducer)换能效率的方法,首先,在COMSOL Multiphysics软件中建立了电磁超声无损检测激发探头有限元模型,然后研究了电磁超声换能器中双层叠加螺旋线圈的基板厚度、铜箔... 详细信息

提出了一种提高电磁超声换能器EMAT(Electromagnetic Acoustic Transducer)换能效率的方法,首先,在COMSOL Multiphysics软件中建立了电磁超声无损检测激发探头有限元模型,然后研究了电磁超声换能器中双层叠加螺旋线圈的基板厚度、铜箔厚度以及提离距离对换能效率的影响。结果表明:减小基板厚度以及提离距离,增加线圈铜箔厚度可以提高EMAT换能效率。最后通过实验进行验证,仿真结果与实验基本一致。

关键词：电磁超声换能器有限元螺旋线圈换能效率

基于正交试验理论的接地扁钢缺陷检测电磁超声换能器优化设计

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电测与仪表 2023年第8期60卷 57-61页

作者：周恺张睿哲叶宽李鸿达王哲黄松岭国家电网北京市电力公司电力科学研究院北京100072 清华大学电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室北京100084

接地网是保障电力系统运行的重要设施,需要及时地开展接地扁钢的缺陷检测。然而,目前的检测方法在准确性、效率等方面依然存在不足。电磁超声导波检测方法可以在不开挖的条件下,利用非接触的优势实现地网的检测,具有一定的优势。论文针... 详细信息

接地网是保障电力系统运行的重要设施,需要及时地开展接地扁钢的缺陷检测。然而,目前的检测方法在准确性、效率等方面依然存在不足。电磁超声导波检测方法可以在不开挖的条件下,利用非接触的优势实现地网的检测,具有一定的优势。论文针对接地扁钢,设计了简易有效的电磁超声SH导波换能器,并分析换能过程中的多物理场耦合机理,在COMSOL Multiphysics中开展有限元建模和仿真;为了优化换能器,根据正交试验理论,进行多因素多水平分析,获得5个参数对导波激励的影响规律以及最优参数组合;搭建了扁钢检测系统,开展SH导波实验。结果表明,相比于正交试验表中的效果最好的前两个参数组合,最优参数组合的换能器性能在导波幅度上分别提升了14.0%和28.6%。

关键词：接地扁钢电磁超声换能器导波缺陷检测正交试验理论优化