电磁超声表面波换能器换能效率的研究

摘要

电磁超声工作机理是通过换能器发射电磁波在试件内部感应出电磁力，力引发试件内部质点振动从而产生超声波。这种特殊的激发方式导致电磁超声换能器换能效率较低。针对这一问题，本文研究提高换能器换能效率的方法。
　　本文首先研究电磁超声的激发原理，并详细推导了洛伦兹力、磁化力和磁致伸缩力的数学表达式，其中洛伦兹力和磁化力可以通过数值方法直接求得。针对磁致伸缩力计算复杂的问题，提出了一种使用磁致伸缩曲线和磁场变化率间接求解的方法，并在计算力场后，通过声学理论建立电磁超声换能器换能效率的数学模型。
　　本文通过有限元方法分析电磁超声换能器换能效率与结构参数关系，换能器结构参数包括提离距离、线圈导线长度和宽度、磁铁的横截面积和厚度。通过正交试验和曲线拟合方法获得相应的关系曲线，并分析变化趋势，最终给出提高换能器换能效率的方法。
　　本文针对有限元计算时间长的问题，提出了一种适用于磁准静态场的电磁场快速算法。完成电磁超声电磁场参数计算仅需10分钟左右，远低于10小时以上的有限元计算时间。涡流和洛伦兹力与有限元计算结果差值分别为12.7％和17.6%，静磁场计算结果差值为1.5%。此方法能够大幅提高实验效率，缩短实验时间。
　　本文设计并实现了一种用于验证电磁超声换能器换能效率与结构参数仿真曲线的实验装置。该装置电路部分以ARM为核心，并采用模块化程序设计方法，机械部分采用双丝杠传动结构，调节提离距离。本文以换能器换能效率与提离距离关系为例，得到仿真结果与实验结果误差为19.3%。

目录

电磁超声表面波换能器换能效率的研究

The Research on Transduction Efficiency of Surface Wave EMAT

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 课题的国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 电磁超声换能器模型的建立

2.1 引言

2.2 电磁超声换能器工作原理

2.2.1 洛伦兹力激发原理

2.2.2 磁致伸缩力激发原理

2.3 电磁超声换能器数学模型

2.3.1 基于洛伦兹力机理的电磁超声数学模型

2.3.2 基于磁化力机理的电磁超声数学模型

2.3.3 基于磁致伸缩力机理的电磁超声数学模型

2.4 电磁超声表面波换能器有限元模型

2.5 本章小结

第3章 电磁超声表面波换能器换能效率的分析

3.1 引言

3.2 电磁超声换能器的结构参数

3.3 电磁超声换能器的典型位置

3.4 基于洛伦兹力机理的电磁超声换能器换能效率分析

3.4.1 换能效率与提离距离关系

3.4.2 换能效率与线圈导线长度关系

3.4.3 换能效率与线圈导线宽度关系

3.4.4 换能效率和磁铁横截面积关系

3.4.5 换能效率和磁铁厚度关系

3.5 基于磁致伸缩力机理的电磁超声换能器换能效率分析

3.5.1 换能效率与提离距离关系

3.5.2 换能效率与线圈导线长度关系

3.5.3 换能效率与线圈导线宽度关系

3.5.4 换能效率与磁铁面积关系

3.5.5 换能效率与磁铁厚度关系

3.6 本章小结

第4章 电磁场参数快速算法

4.1 引言

4.2 电磁超声快速算法的研究

4.2.1 涡流的解析表达式

4.2.2 磁感应强度的解析表达式

4.2.3 洛伦兹力的解析表达式

4.3 算法程序设计

4.4 仿真验证

4.4.1 线圈中直流电流产生的磁场

4.4.2 涡流

4.4.3 静磁场

4.4.4 洛伦兹力

4.5 本章小结

第5章 实验装置设计

5.1 引言

5.2 装置主要技术指标

5.3 装置机械结构设计

5.4 装置硬件设计

5.5 装置软件设计

5.6 实验验证

5.7 本章小结

结论

参考文献

附录1

附录2

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性说明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致谢