电磁超声导波在管道中螺旋向传播的机理研究

为了实现电磁超声导波对管道中不同方向裂纹缺陷的有效检测,研究了超声导波螺旋向传播的机理,设计了用于管道斜向裂纹缺陷检测的电磁超声螺旋向导波换能器。基于毕奥萨伐尔定律,建立了螺旋向导波换能器等效闭合线圈的数学模型;推导分析了电磁超声螺旋向导波换能器的磁感应强度与螺旋向导波主声束传播方向的关系;实验验证了不同角度的螺旋向导波传播机理与相应的裂纹缺陷检测能力。结果表明,电磁超声螺旋向导波主声束传播方向与线圈工作导线垂直,改变换能器线圈螺旋角度可控制电磁超声导波在管道中的传播方向,线圈螺旋角度不同的换能器可实现管道中不同斜向角度裂纹缺陷检测,为管道全向裂纹缺陷检测提供参考。     

钢板中电磁超声导波换能器主声束方向研究

针对电磁超声导波主声束传播方向受钢板中裂纹方向影响的问题,分析电磁超声主声束与磁场参数的函数关系,建立基于毕奥-萨伐尔定律的导波传播方向分析模型,研究换能器线圈工作导线的偏转角与导波传播关系的方向控制模型,实验验证了主声束方向可控及其裂纹检测能力。结果表明:钢板中电磁超声导波主声束传播方向垂直于换能器线圈工作导线,工作导线偏转角变化可实现电磁超声导波在钢板中的传播方向控制,为钢板中全向裂纹检测提供了理论依据与应用基础。     

电磁超声全向导波换能器辐射控制方法研究

针对传统电磁超声全向导波换能器因导波内、外辐射致使检测回波信号复杂及信噪比低的问题,设计了一种新型电磁超声全向导波换能器(OUT-EMAT)结构,研究了换能器双线圈结构参数、双激励源控制方法,实现了导波辐射强度与方向控制。根据电磁超声全向换能器理论,建立波动位移叠加的数学模型,并对设计的OUT-EMAT性能进行仿真计算及实验。研究结果表明：与传统全向EMAT相比,OUT-EMAT内、外辐射导波强度之比由1∶1变为2∶9;其外辐射导波强度增加了100%,内辐射导波强度抑制了55.6%;增强了检测回波信噪比,降低了信号复杂度,提高了裂纹缺陷定位准确度;为有效识别裂纹缺陷提供了一种新方法,对实际工程应用具有指导意义。     

一种管道中T(0,1)模态单向电磁超声换能器

为了准确判定管道中缺陷位置且减少回波信号复杂程度,提出一种管道中单向传播的电磁超声换能器结构.根据电磁超声换能器理论,建立磁场、位移、超声波叠加数学模型,并对单向电磁超声换能器波动位移进行有限元仿真分析;实验采用双线圈激励方法对T(0,1)模态导波的传播强度进行控制.结果表明:换能器相邻导线间距为λ/4,且延迟时间为T...     

螺旋波纹管导波检测技术的数值仿真和试验研究

为对螺旋波纹管进行缺陷检测,研究纵向模态超声导波在螺旋波纹管中的传播特性。在Abaqus仿真软件平台中构建螺旋波纹管的计算模型,得到含有环向裂纹缺陷时的仿真结果。在此基础上,采用自主研制的电磁声换能器进行试验研究。试验所用的激励信号为经Hanning窗调制的20个振荡周期的正弦脉冲,中心频率为240 kHz,采用单一传感器在螺旋波纹管中激励和接收L(0, 2)模态导波,实现对螺旋波纹管中人工裂纹缺陷的识别,分析并计算缺陷位置测量不确定度。有限元仿真和试验结果表明,超声导波技术可以实现对螺旋波纹管裂纹缺陷的检测。     

曲折线圈型电磁超声表面波换能器的优化设计

电磁超声表面波换能器的换能效率较低,严重限制了其进一步的发展。为此,在建立曲折线圈型电磁超声表面波换能器多物理场有限元模型的基础上,通过仿真分析,分别从EMAT(Electromagnetic Acoustic Transducer)磁铁尺寸和线圈中导线的分布方式两个角度对电磁超声表面波换能器进行了优化。实验表明,与传统的曲折线圈型电磁超声表面波换能器相比,采用相同的磁铁体积时,在一发一收的工作模式下,文中提出的优化后的换能器接收信号幅度可提高39%;在收发一体的工作模式下,信号幅度可提高86.2%,有效地改善了换能器的性能。     

管道电磁超声导波技术及其应用研究进展

超声导波理论研究的不断深入、导波固有的可用于长距离大范围高效检测的性能优势,以及电磁超声技术实现上具有的非接触特点等,共同促进了电磁超声导波技术的研究、发展和应用。梳理管道电磁超声导波技术近些年来在周向导波、轴向导波和螺旋导波方面的理论研究进展及技术应用情况,具体对比了板状和管状结构导波,归纳了不同模态导波换能器的特点,分析了导波与管道缺陷的相互作用,介绍了上述导波在管道缺陷定位、尺寸量化和成像中的应用,即回顾了管道电磁超声导波技术的研究及应用现状,并展望了其今后的研究方向和发展趋势。     

一种电磁超声传感器的研制

运用电磁超声检测原理研制了一种电磁超声传感器。为了使激励电源具有多种参数可调、输出功率大等特性,高频脉冲电源使用UCC3895作为信号源,IR2110作为全桥可逆电路驱动芯片。换能器结构采用永磁式磁铁与回折型线圈组合。利用Matlab绘制了铝板中兰姆波频散曲线,通过选取合适的频厚积从而在铝板中激发特定模式的超声波。通过实验证明了该传感器在铝板中能够很好地激发出超声波并且能够接收到信号。     

窄板无损检测用水平剪切波电磁声传感器的研制

低阶水平剪切波具有的几个特点使得它特别适合应用于结构大范围无损检测。通过对换能器几何结构的设计,电磁声换能器能实现多种不同模态导波的激励,如板中的兰姆波和水平剪切波,但电磁声换能器的性能受其结构参数影响很大。为实现磁铁阵列式电磁声换能器的性能评价,开发一种用于换能器远场周向声场分布计算的线源分布模型,对具有不同几何参数的电磁声换能器的性能进行数值计算,如磁铁数量、磁铁周期、线圈的内外径等。这些参数对激励出的SHO波的指向性有很大影响,主要表现在主瓣及旁瓣的幅值及宽度方面。根据数值分析结果,为获得较好的指向性对换能器的结构参数进行优化设计。将优化设计研制出的换能器用于窄板结构无损检测,结果表明窄板的侧边界对SHO波的传播基本没有影响,可用于窄板结构的无损检测。提出可预测出磁铁阵列式电磁声换能器的声场分布并用于换能器参数优化的线源分布模型。     

金属小径管损伤电磁超声导波检测的高效混合仿真方法及导波换能器可行性研究

金属小径管广泛应用于航空航天、化工等工程领域关键结构中,对其进行定期无损检测至关重要。作为一种先进电磁无损检测方法,电磁超声导波检测在金属小径管损伤定量评估中具有优势。目前,金属管道缺陷电磁超声导波检测的仿真主要采用有限元等数值模拟方法,涉及电磁场和结构场计算。然而,电磁超声导波检测通常采用激励电流的频率为几百千赫兹,在管道中激发的涡流趋肤深度极小,导致仿真需大量网格进行求解域剖分以确保仿真精度,检测信号计算时间较长。鉴于此,提出一种集成解析法和有限元法的金属小径管缺陷电磁超声导波检测混合仿真方法,采用解析法求解电磁场相关场量,将所求洛伦兹力导入有限元仿真中求解结构场,实现电磁场量和结构场量的快速计算,高效求取检测信号,对金属小径管缺陷定位时,精度高达约98%。在通过全有限元仿真验证所提混合仿真方法正确性的基础上,结合系列仿真和试验研究,对所提导波换能器激发的超声导波模态进行了识别,对该换能器在金属小径管损伤检测和定位方面进行了可行性验证。     

电磁超声横波检测钢板减薄缺陷的有限元分析

电磁超声换能器(EMAT)在试件中激发的横波(剪切波)能够应用于试件厚度和内部缺陷检测,为了研究电磁超声激发横波的机理,采用有限元分析的方法,对其进行仿真分析。通过建立EMAT三维模型,进行电磁学耦合计算,获得被测试件表面磁场、涡流、洛伦兹力的分布规律,显示了EMAT激发横波的机理过程,为电磁超声换能器的设计提供参考;通过电磁学与动力学的耦合计算,获得横波在试件厚度方向的传播规律,结果表明,横波在试件中沿厚度方向传播,并且能量呈衰减趋势;对含缺陷钢板进行结构动力学分析,发现当波传播遇到缺陷时波动发生明显的改变和衰减,得出EMAT激发的横波可用以检测试件底面减薄缺陷,并通过试验验证提出横波检测缺陷时定量缺陷深度的方法。     

基于电磁超声导波的铝合金板材缺陷自动检测装置

针对目前国内外普遍采用的压电超声技术在铝合金板材检测中的不足,研制了基于电磁超声导波的铝合金板材自动检测装置.设计了激发和接收导波的电磁超声换能器(EMAT),由FPGA完成电磁超声发射接收电路控制和数据采集.利用LabWindows CVI软件编写上位机程序,通过USB总线实现FPGA与上位机的数据交换,并在上位机完成数据分析和处理.研制了机械装置控制探头在铝合金板材表面折线形运动,实现整个铝合金板材缺陷的检测,并为板材在线检测装置的研制打下基础.基于电磁超声导波的铝合金板材缺陷自动检测装置,可对厚度为10 mm以下的整个铝合金板材进行快速检测,并能在上位机实现缺陷的自动判别.     

一种新型EMAT圆柱探头的三维有限元分析

提出了一种空心圆柱结构的电磁超声换能器(EMAT,Electromagnetic Acoustic Transducer)线圈探头,为获得空心圆柱探头的设计参数,以有限元仿真软件ANSYS为工具,对所设计的电磁超声探头进行了三维有限元建模和仿真,分析了空心圆柱型换能器所激发超声波的幅值和频率;研究了线圈的各几何参数及换能器电气特性变化对所激发感生涡流幅值的影响规律;确立了电磁超声圆柱探头的基本设计准则。仿真结论证明:空心圆柱线圈适合作为EMAT探头进行缺陷检测,为此类线圈的设计提供的理论指导。     

基于L(0,2)模态导波的缺陷反射信号的实验研究

通过管道超声导波缺陷反射理论和检测理论,分析了超声导波与缺陷作用后的传播特性。为了对管道中缺陷信号进行辨识,利用周向压电晶片阵列在带有不同缺陷的管道中激励不同频率的L(0,2)模态导波对管道进行缺陷检测实验,研究了导波激励频率、模态转换后各模态幅值与缺陷尺寸的关系。结果表明,在缺陷截面比与信号激励频率相同的情况下,裂纹缺陷的反射系数比腐蚀缺陷的反射系数大;L(0,2)模态导波与裂纹缺陷相互作用后会产生F(2,3)模态;与缺陷同一周向位置的压电片接收的反射回波幅值最大。     

厚梁结构中的超声导波传播与损伤识别

基于导波的结构健康监测技术研究中,结构厚度与不同损伤形式对导波传播特性的影响是该技术在工程应用中对实际结构进行损伤识别的关键。通过导波在厚梁结构中传播时所表现出的特性,分析并试验研究损伤对导波传播的影响。通过在结构中引入切槽损伤,理论分析与试验研究导波在有损结构中的传播特性。以此为基础,重点研究疲劳裂纹损伤。试验得出导波在厚梁结构中的实际传播速度,并由此分析损伤反射波中的波包成分,研究并总结损伤大小对导波幅值、相位和到达时间的影响规律。分别对结构中的对称和非对称损伤进行研究,验证具有非对称损伤结构中模式转换波包的存在,分析模式转换波包的形成与传播机理,研究不同的非对称损伤对模式转换波包形式的影响。此外,还介绍了试验试件和疲劳裂纹的加工过程。总结了切槽损伤与疲劳裂纹损伤对导波传播的不同影响。     

基于电磁超声换能器阵列的管道螺旋导波传播规律研究

螺旋导波因在管道超声导波层析成像中的巨大应用价值,近年来受到研究者们的重视。阐述管道螺旋导波的激发/接收条件、传播路径和波前形状等规律。建立FE模型,研究由圆环波前S₀模态兰姆波在管道上形成螺旋导波的过程。组建了双环24阵元的电磁超声换能器阵列及试验系统,170 kHz下激发圆环波前S₀模态兰姆波在管道中产生螺旋导波,试验研究了激励源所在圆周及管段上的波动场信号特征。仿真和试验结果表明,管道螺旋导波实质上是兰姆波在曲面上的传播形态,可由管道某处点源激发兰姆波产生,主要存在于波动场的近场。由于管道结构的封闭性,兰姆波的波前在管道上反复交叉前行,形成了螺旋传播路径。从波源到管道上任意一点的螺旋导波传播路径有无数条,各阶螺旋角不连续。利用螺旋导波进行管段检测提供了缺陷的多角度入射信息,对缺陷高分辨率检测具有重要意义。     

各向异性堆焊结构中超声传播模拟与缺陷回波预测

奥氏体不锈钢呈现出明显声学各向异性,如何检测与评价这类材料成为声学检测领域的研究难点和热点问题.应用多高斯声束模型来研究超声换能器向各向异性圆管堆焊结构中辐射声场的特征.给出声场模型中材料各向异性系数的具体求解方法;并应用该声场模型计算超声束在有机玻璃楔块、各向异性堆焊层和低合金钢基体三层介质中的传播特征,重点分析堆焊层各向异性和圆管曲率变化两种因素对纵波声束偏转和聚焦形态的影响.进一步,将多高斯声束模型与分离变量法缺陷散射模型相结合,建立适用于各向异性圆管堆焊结构的超声测量模型,用于预测各向异性堆焊层下的横通孔缺陷回波信号.试验测量结果与模型预测结果的比较表明,两者的信号幅度和相位都符合较好.     

钢轨踏面检测电磁超声表面波换能器优化设计

钢轨踏面疲劳裂纹的产生严重影响了列车的运行安全,及时有效对钢轨踏面裂纹进行检测与评价具有重要意义。电磁超声换能器(EMAT)具有非接触、无需处理粗糙表面,易于实现快速自动检测技术等优点,但是易受提离影响、换能效率低,因此需要对EMAT进行优化设计以提高其检测灵敏度。建立多根分裂曲折线圈接收EMAT的有限元模型,基于正交试验表,分析了曲折线圈导线宽度、高度和根数以及永磁铁尺寸、提离对接收电压信号幅值的影响规律。在此基础上,获得了表面波EMAT的最佳参数组合,并通过实验加以验证。研究结果表明,与传统EMAT线圈相比,多根分裂曲折线圈EMAT的接收信号幅值可以提高50.8%;利用A\B扫检测方法,表面波EMAT可以有效检出钢轨踏面裂纹。     

基于电磁超声兰姆波的铝合金板材小缺陷检测技术研究

电磁超声技术因其无需耦合剂等优点而在无损检测与无损评估领域获得广泛应用。在分析铝合金板材中电磁超声兰姆波激发原理的基础上,结合兰姆波与缺陷的作用机理,建立了电磁超声兰姆波三维有限元声场模型,分析了利用电磁超声换能器检测铝合金板材小缺陷的可行性。针对GJB3384—98的检测要求,设计了可用于检测直径为1 mm的小型通孔缺陷的电磁超声兰姆波换能器。在此基础上研制了基于电磁超声兰姆波技术的铝合金板材检测样机。实验表明,该样机不仅能够有效检测出GJB3384—98规定的小型通孔,也能检测出长度为4 mm、槽深为0.4 mm的槽型缺陷,为基于电磁超声技术的铝合金板材小缺陷检测的工程应用奠定了基础。     

自聚焦线阵声场特征和检测应用

相控阵超声技术近些年发展迅速,并被广泛应用于工业无损检测领域,但采用线阵换能器检测时,存在阵元长轴方向检测分辨力较差的问题。针对传统线阵换能器无法在阵元长轴方向聚焦的问题,提出采用自聚焦线阵换能器检测,可同时在阵元长轴和短轴方向获得较好检测分辨力。针对自聚焦线阵换能器声场计算方法和分布特征开展研究,发展了非近轴近似高斯声束叠加方法来计算自聚焦线阵辐射声场,为验证该方法的有效性,与瑞利积分数值方法进行精度和效率比较。进一步,利用上述理论方法来对比分析传统线阵和自聚焦线阵焦点强度、焦点尺寸和焦柱长度等参数随偏转角度变化的分布特征。对圆柱形工件进行检测,结果表明自聚焦线阵换能器可以检测出普通线阵换能器难以检测出轴向缺陷。理论和试验结果表明所提出的非近轴近似高斯声束叠加方法可以较准确地计算自聚焦线阵辐射声场,同时自聚焦线阵换能器对轴向和环向缺陷的检测灵敏度均较高。