非铁磁材料的电磁超声换能器设计

摘要

电磁超声换能器(EMAT)是一种新型的超声发射接收装置。与传统的压电超声相比，检测时无需在被测试件表面进行预处理和涂抹声耦合剂，而且能够产生各种类型的超声波，如横波、纵波、表面波和兰姆波等，因此电磁超声检测技术的优势突出。不过电磁超声检测技术的缺点也很明显，与压电超声相比，其换能效率较低，需要良好的数据采集和分析系统。
　　针对电磁超声检测技术的优点和不足，本文在国内外对其研究和认识的基础上，着重用有限元仿真方法对电磁超声检测技术的机理进行研究，主要研究内容为曲折线圈激发的表面波。
　　电磁超声换能器的工作过程分成两个阶段：电磁超声换能器产生洛伦兹力的能量转换过程和产生超声波的能量转换过程。针对第一个阶段建立电磁场模型，主要包括曲折线圈、铝板、永磁铁和空气四部分，通过该阶段的仿真得到了电磁超声换能器在换能过程中电场、磁场、力场的分布规律和主要特征；针对第二阶段建立声场模型，主要为铝板，将在电磁场模型中得到的洛伦兹力作为整个铝板的力源，通过与结构场的耦合建立了声场模型，通过仿真得到了表面波在铝板中辐射声场的分布、指向性、运动轨迹以及衰减等规律。这两部分的仿真结果与理论分析的结果相吻合。
　　针对电磁超声换能器信号强度较弱的问题，本文在对电磁超声换能器三维模型分析的基础上，通过改变曲折线圈形状、磁铁底面积的大小、曲折线圈的匝数以及激励电源的波形来进行对比分析，得到不同情况下表面波的特点和幅值的变化情况，通过比较不同换能器参数下表面波信号强度的关系，来确定其对电磁超声换能器效率的影响。

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第一章 绪论

§1-1 课题背景及研究的目的和意义

§1-2 电磁超声检测技术概述

§1-3 课题的国内外研究现状

§1-4 本文主要研究内容

第二章 电磁超声换能器工作原理及其数学模型

§2-1 电磁超声换能器工作原理

§2-2 电磁超声换能器的数学模型

§2-3 本章小结

第三章 电磁超声换能器三维建模与分析

§3-1 电磁超声换能器的电磁场模型

§3-2 电磁超声换能器表面波声场模型

§3-3 本章小结

第四章 电磁超声换能器的结构与激励模式研究

§4-1 曲折线圈的形状

§4-2 磁铁与线圈配合

§4-3 线圈匝数

§4-4 电源激励波形

§4-5 本章小结

第五章 结论

§5-1 论文工作总结

§5-2 需要进一步研究的工作

参考文献

致谢

攻读学位期间所取得的相关科研成果