静态偏置磁场强度对铁磁材料电磁超声换能机制的影响

铁磁材料具有磁致伸缩效应,因其磁化具有非线性特性导致其电磁超声换能机制变得复杂。分析不同磁场强度下铁磁材料中电磁超声换能机制的主导因素有利于提高电磁超声换能器(EMAT)的换能效率及信噪比。该文建立了铁磁材料电磁超声Lamb换能器的仿真模型,研究了洛伦兹力、磁致伸缩力和磁化力随外加磁场的变化规律。通过对比洛伦兹力作用下位移、磁致伸缩效应作用下位移和综合作用下总位移来分析影响换能机制的主导因素,并进行了实验研究,实验测得的质点位移、波速与仿真结果一致。研究结果表明,在弱磁情况下,磁致伸缩效应占主导作用;当铁磁材料接近磁饱和时,洛伦兹力逐渐增大并起主要作用;铁磁材料在达到磁饱和后,磁致伸缩效应引起的应变很小且几乎不再改变。     

基于电磁超声换能器的铁磁材料电磁声发射检测方法

电磁超声换能器(EMAT)因其非接触式的检测特点被广泛应用于无损检测和无损评估中,但如何用其判定裂纹的活性尚未见报道。因电磁声发射技术能够对微细裂纹进行检测并判定其活性,在考虑磁致伸缩效应的基础上,根据EMAT和电磁声发射两种检测方法的原理特性,实现EMAT对铁磁材料的电磁声发射检测。对EMAT进行仿真分析和实验,结合凯瑟效应和声发射理论,给出裂纹活性的判定依据。仿真和实验结果表明,EMAT可在铁磁材料中激发声发射信号,并实现对铁磁材料的损伤评定,为EMAT在实际检测中判定裂纹活性提供了理论和实践指导。     

钢板电磁超声换能机理及塑性损伤的非线性超声检测

铁磁材料电磁超声换能器(electromagneticacoustic transducer,EMAT)的换能机制与外加磁场、材料的磁化特性和磁致伸缩特性有密切的关系,电磁超声波的产生很大程度上取决于材料的电磁特性和偏置磁场。首先,建立钢板电磁超声波的有限元模型,分析偏置磁场及被测试件的电磁特性对电磁超声换能机制的影响,通过引入不同磁导率和电导率等效模拟塑性变形试件,分析换能机制与电磁特性的关系,并在此基础上搭建基于电磁超声表面波的塑性变形检测系统。其次,通过对拉伸的标准工字板试件进行磁导率检测,得到不同塑性损伤试件与相对磁导率变化的对应关系。塑性变形会改变钢板的电磁特性,进而影响到检测信号的变化。最后,对塑性变形进行电磁超声非线性检测,得到相对非线性系数与塑性变形的对应关系,并验证塑性变形、电磁参数与非线性检测信号之间的关系。     

电磁超声表面波换能器设计参数仿真

电磁超声换能器(EMAT)的建模仿真是对电磁超声产生和接收的物理过程的认知,通过仿真研究原理、优化设计参数可以有效提高电磁超声换能器的换能效率.为了获得电磁超声表面波换能器的最优参数,总结EMAT设计的基本准则,利用有限元分析软件ANSYS建立EMAT有限元模型,分别对3种不同类型激励线圈进行了仿真,进而分析了偏执磁场...     

电磁超声特征信号检测系统的设计

针对电磁超声换能器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)转换效率低、信号微弱、信噪比低的问题,设计开发了包括电磁超声换能器在内的,由低噪前置放大器、宽带接收器以及基于虚拟仪器的正交锁相放大等构成的电磁超声检测系统。对比了传统EMAT结构与新的EMAT结构磁通密度的不同,通过提高偏置磁场的强度提高EMAT的换能效率;分析了前置放大器、宽带接收器、电磁超声换能器的频率响应特性;研究了相敏检波器中低通滤波器的阶数、滤波器类型以及截止频率对电磁超声回波信号检测的影响,并对铝板进行了缺陷检测实验。实验结果表明:该系统能够实现电磁超声信号的实时采集、分析和存储,同时能够提高信号的信噪比和分辨率。     

计及损耗的超磁致伸缩材料参数提取及有限元仿真应用

有限元法(FEM)是换能器设计的重要手段.超磁致伸缩换能器的核心振子——超磁致伸缩材料在应用中存在电磁损耗、机械损耗和磁机耦合损耗等.而现有的有限元仿真软件中的磁致伸缩模块无法对超磁致伸缩换能器进行多场耦合下的损耗的准确计算,且难以获取不同工况下的材料参数,给换能器的设计造成了较大的误差.因此相比压电模块,有限元仿真中...     

磁致伸缩换能器材料的物理特性

用磁性物理的理论解释了磁致伸缩的产生机制,分析了磁致伸缩材料在磁化过程中的物理特性,指出了使用磁致伸缩换能器的物理条件。文末还介绍了磁致伸缩换能器材料的最新发展动态。     

横波测厚电磁超声换能器的优化设计及试验研究

电磁超声换能器能进行非接触检测,使用方便,但缺点是换能效率低,为了提高横波电磁超声换能器的换能效率,分析电磁超声换能器工作原理,利用COMSOL Multiphysics软件对电磁超声换能器进行三维建模仿真,分析了永磁体不同放置方式和几何尺寸对换能器激励洛伦兹力大小的影响.进一步应用正交试验法对蝶形线圈的几何尺寸参数进...     

不同铁磁材料变压器铁芯磁致伸缩及振动噪声特性分析

实际运行工况下,非晶合金变压器的振动噪声要明显高于传统取向硅钢铁芯变压器,其原因主要是相同磁化条件下非晶合金的磁致伸缩现象通常高于冷轧取向电工钢片。因此,深入掌握不同铁磁材料的磁致伸缩特性是有效解决变压器铁芯减振降噪问题的前提和基础。本文首先测试了非晶合金带材在交变磁化下的磁致伸缩特性,得到了不同磁化强度下磁致伸缩回环曲线,以及磁致伸缩峰峰值与磁化强度的关系曲线,并与取向电工钢片的磁致伸缩特性进行了对比分析。在此基础上,仿真计算了一台非晶合金变压器铁芯三维主磁场分布,并结合上述磁致伸缩特性曲线,建立了铁芯振动位移数值仿真模型和声场仿真模型,完成了铁芯结构力场和声场的多物理场耦合计算,得到了磁致伸缩效应引起的非晶变压器铁芯振动位移与噪声分布。最后,对比分析了不同铁磁材料变压器铁芯的振动和噪声。研究结果表明,在同样磁化条件下,非晶合金带材的磁致伸缩应变是取向硅钢片的50倍左右,由此引起的非晶变压器铁芯噪声高于传统硅钢变压器铁芯20dB左右。     

一种新型窄磁铁聚焦式电磁超声表面波换能器EI北大核心CSCD

窄磁铁电磁超声换能器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)利用较强的边缘磁场能够在铝板中激发出比常规EMAT幅值更大的超声波信号,但是窄磁铁磁场会导致激发的波形发生畸变,从而影响超声检测的可靠性。该文设计出一种新型窄磁铁聚焦式表面波EMAT,不仅修正窄磁铁磁场引起的波形畸变,而且使得激发的表面波幅值得到有效提升。首先,考虑磁场、相位、洛伦兹力贡献度等因素,推导出窄磁铁EMAT激励超声的合成公式,并通过并联分裂导线排布实现对波形畸变和频率偏移的修正。其次,研究磁铁与线圈尺寸参数对换能器激励效率的影响,并通过三维仿真对超声传播特性和聚焦效果进行分析。最后,制备窄磁铁聚焦式EMAT并进行表面波激励实验,结果表明:该文设计的表面波EMAT不仅实现对窄磁铁磁场引起的波形畸变的修正,而且同等磁通密度下激发的表面波信号时域幅值比常规EMAT提高55.92%,频域基频幅值提升69.7%,这为电磁超声表面波换能效率的提升及缺陷检测信号的有效提取提供新方法。     

骨架型电磁超声相控阵换能器设计

针对骨架型电磁超声相控阵换能器设计方法不明确、换能效率低的问题,采用有限元建模仿真和实验相结合的技术路线,研究一种骨架型电磁超声相控阵换能器设计方法。建模分析了单通道电磁超声换能器(electromagneticacoustic transducer,EMAT)线圈绕制方式,随着角度增加,线圈采用水平绕制方式产生的声压显著大于垂直绕制方式;分析了在线圈间隔离绕制和重叠绕制2种方式下,电磁超声相控阵声场的变化规律,结果表明重叠绕制方式激发产生的横波幅值明显大于隔离绕制方式。在上述仿真分析的基础上,研制了导线长度为10mm、30匝的骨架型电磁超声相控阵换能器,成功实现了铝板中直径为3mm垂直孔的缺陷检测。     

考虑磁致伸缩逆效应的非晶合金开关磁阻电机减振方法

非晶合金用于电机铁心可极大地提高电机效率,然而,其较大的磁致伸缩系数和极强的应力敏感性（即磁致伸缩逆效应）在增大铁心振动噪声的同时,限制电信号对铁心磁性能的精确控制能力。该文提出采用磁致伸缩逆效应对铁心磁化状态进行调制,以抑制非晶合金开关磁阻电机电磁振动的减振思路。首先,基于宏观热力学理论,建立考虑磁致伸缩及其逆效应的非晶合金材料力-磁耦合本构关系;其次,提出非晶合金开关磁阻电机的定子齿加压结构,并考虑静态预应力、脉动电磁应力对非晶合金磁特性的影响,构建开关磁阻电机力-磁双向动态耦合模型并求解;最后,计算应力作用前后定子铁心的磁通密度分布。通过实验与仿真对比发现,定子齿加压结构的径向电磁应力可减小44.5%,因此该减振方法具有可行性。     

用于测厚和裂纹检测的正交横波电磁超声换能器仿真分析及实验研究

垂直入射的横波在测厚时具有较高的灵敏度,但检测裂纹常需采用斜入射方式,单个换能器无法同时进行这两种检测。该文设计了一种正交横波电磁超声换能器（EMAT）,通过两个蝶形线圈在铝板中激发正交偏振的横波,提出在脉冲回波模式下利用两个线圈接收信号的声时信息和幅值差,同时进行测厚、检测裂纹并确定裂纹方向的方法。建立正交偏振EMAT三维有限元模型,对横波声场与裂纹缺陷的相互作用进行仿真,研究线圈间距、裂纹尺寸对正交声场和信号幅值差的影响。仿真和实验结果表明：正交横波EMAT通过一次检测可以同时实现测厚、裂纹检出及裂纹方向定位,为腐蚀减薄和裂纹等缺陷的在线检测提供了新方法。     

不同磁致伸缩方程下永磁电机的应力、应变研究

磁致伸缩效应对电机的定子振动有着重要的影响。然而不同的磁致伸缩本构方程可能对电机定子中磁致伸缩效应导致的形变与振动的预测与评估有着不同的影响。因此,根据不同的物理原理选取3种本构方程对永磁电机的定子进行仿真研究:建立考虑磁致伸缩效应的电机电磁-机械耦合模型;进行有限元分析,计算磁通密度和磁致伸缩力,得到由磁致伸缩效应导致的振动位移;对不同本构方程得到的数值计算结果进行了分析。仿真结果表明:应用3种本构方程对电机仿真得到的磁通密度分布及大小无明显差别,且电机定子应力的频率变化规律基本都是供电电源频率的两倍,但是由它们仿真得到的应力、振动位移的数值大小却有着数量级的差距。通过对不同本构方程的研究为准确分析电机中由磁致伸缩效应引起的应力、应变等提供了合适的耦合方程和方法。     

利用超声导波检测不锈钢波纹管缺陷

分析得出不锈钢波纹管中超声导波的近似频散方程,利用disperse软件对方程进行数值求解,设计出满足不锈钢波纹管超声导波检测的电磁声(EMAT)换能器及压电换能器,并选择L(0,2)模态超声导波对不锈钢波纹管试样进行检测,结果表明超声导波可以检测不锈钢波纹管的横向裂纹缺陷,而对通孔缺陷较难识别。     

电—磁—机—声多场边界下的超磁致伸缩Ⅳ型弯张换能器设计方法

超磁致伸缩Ⅳ型弯张换能器是实现大功率低频水下声波发射的有效途径，在水下远距离探测、水声通信等领域具有广阔的应用前景。该文提出一种综合考虑材料电磁参数极限、空化边界条件以及最大主应力边界条件的大功率低频超磁致伸缩Ⅳ型弯张电声换能器优化设计方法。首先，根据超磁致伸缩材料的电磁参数极限确定振子棒材数量以及磁回路结构；然后，以频率、声源级为优化目标，机械壳体主要结构参数作为优化变量，结合有限元仿真构建基于Box-Behnken法的响应面模型，并把空化边界条件以及最大主应力边界条件作为优化方案的判据，最终得到优化的壳体结构参数；最后，基于优化设计方案，研制了一款超磁致伸缩Ⅳ型弯张换能器样机，并搭建了湖试实验平台。实验测试结果表明，在40 m水深下，研制的换能器样机谐振频率为480 Hz，最大声源级达到206 dB，验证了设计方法的可行性与准确性。     

不同温度及谐波下硅钢片电磁-力特性与变频电机振动

为研究变频电机在不同温度、不同谐波下的电磁性能及考虑硅钢片磁致伸缩影响的振动特性,该文首先对变频电机铁心硅钢片在不同温度及谐波下的磁性能展开研究,给出硅钢片在不同温度及谐波下的B-H曲线、B-P曲线及磁导率曲线。其次对硅钢片的磁致伸缩特性展开了测试与分析,给出硅钢片的蝴蝶曲线及磁致伸缩单值曲线。基于硅钢片磁特性及磁致伸缩特性的测试结果,对1 140V/75kW变频电机的电磁性能及振动展开仿真分析,在仿真过程中考虑了温度、谐波及磁致伸缩对变频电机铁心硅钢片性能的影响。最后对1 140V/75kW变频电机展开振动实验,为变频电机的电磁-振动分析提供了一个新的思路。     

疲劳裂纹的电磁超声混频非线性检测

对金属结构中疲劳裂纹的检测是结构寿命预测和失效分析的关键,线性超声或其他无损检测方法难以有效识别疲劳裂纹。以非线性波动理论为基础,根据电磁超声换能器的激发特点和兰姆波(Lamb波)的波结构特点,设计双线圈Lamb波混频电磁超声换能器,建立混频电磁超声换能器有限元仿真模型,研究混频位置和非线性系数之间的关系,分析了不同裂纹深度对超声调制效应的影响。最后,进行疲劳裂纹的电磁超声混频非线性实验,通过铝板中两个声场是否发生非线性调制来判断铝板是否有疲劳裂纹;根据疲劳裂纹板中不同位置处的非线性系数大小,对疲劳裂纹进行定位;研究非线性系数随不同裂纹长度的变化情况,依据非线性系数的变化可以有效监测裂纹的扩展。研究结果证明了所设计的Lamb波混频电磁超声换能器检测疲劳裂纹的可行性、有效性。     

非铁磁材料的电磁超声接收过程数值模拟及实验研究

针对非铁磁金属板的缺陷检测问题,进行了电磁超声无损检测技术的数值模拟及实验研究。电磁超声换能器工作机理复杂,已有仿真大多是针对发射过程,并且被测体不含缺陷。该文研究建立了超声发射、电磁超声换能器接收的有限元模型,对被测体有无缺陷时线圈接收到的电压信号进行仿真分析。根据发射频率和超声导波的频散特性,设计并制作了回折形线圈,然后研究了线圈导体尺寸及线圈提离对电磁超声换能器性能的影响,并对有无缺陷的铝板进行了实验研究。结果表明:仿真中线圈接收到的电压信号能够反映缺陷的位置,实验结果与仿真结果相吻合。该工作对电磁超声被测试样有无缺陷时接收信号的分析和线圈设计有参考意义。     

考虑硅钢片磁致伸缩特性的干式铁芯电抗器铁芯振动分析及优化

铁芯电抗器振动的主要原因包括铁芯的麦克斯韦力及硅钢片的磁致伸缩效应。为了准确地建立硅钢片磁致伸缩模型，基于Jiles-Atherton磁滞模型，并根据软磁材料的二次畴转模型理论，建立铁磁材料磁致伸缩模型，采用自适应模拟退火(adaptive simulated annealing, ASA)算法提取模型中的多个参数。在确定磁致伸缩模型有效性的基础上，利用多物理场仿真软件构建考虑磁致伸缩模型的干式铁芯电抗器振动计算模型，分析铁芯电抗器铁芯的振动分布特点，结合拉丁超立方抽样实验方法与Kriging模型建立能够准确预测铁芯振动位移的优化模型，在均衡铁芯电抗器电磁及振动特性的情况下使得铁芯上的金属导体用量最小化，获得电抗器铁芯的最佳结构。并对比分析优化前后电抗器模型的特性，优化数据显示，电抗器铁芯部分的金属导体用量相较于优化前降低9.21%，且此时的电感仅改变了0.31%，同时优化后铁芯振动减少18.18%，满足电抗器电磁及振动要求。