基于断层扫描的EMAT辐射声场测定及特性研究

摘要

汽车发动机作为汽车中核心的组成部分，对其进行缺陷检测与性能评估是关系到汽车使用与安全性的关键。因此对发动机中各个主要部件进行缺陷检测成为一个关键的问题。随着无损检测技术的发展，为发动机的检测提供了有效的技术手段。其中电磁超声检测技术的兴起，得到了人们广泛的应用与认可。电磁超声换能器（EMAT，Electromagnetic Acoustic Transducer）作为电磁超声检测法中重要组成部分，其具有非接触、无需耦合剂、对试件表面要求不高、适用于高温环境等优点。为了保证检测工艺的合理性与检测结果的准确性、可靠性，需要对电磁超声换能器在检测试件内激励产生辐射声场的分布进行准确的测量。目前常用的辐射声场测量方式有水浸法与光弹法，但EMAT激励的横波无法在水中传播，且EMAT无法在透明固体塑料中激励产生超声波，因此水浸法与光弹法无法对EMAT辐射声场进行测量。本文提出了断层扫描测量的方式对电磁超声换能器在试件内所激励的辐射声场进行了测量，并分析了辐射声场的特性与影响因数。主要内容如下： （1）分析了电磁超声换能器在检测试件中激励超声波的原理，研究了超声波在试件中的传播过程，根据其激励机制，提出了断层扫描测量的方式对电磁超声换能器所激励出的辐射声场进行测量，分析了断层扫描原理、超声激励系统与信号采集系统。 （2）基于断层扫描测量原理，搭建了基于电磁超声换能器断层扫描测量辐射声场的实验系统。首先设计了断层扫描实验系统中的接收换能器。然后对断层扫描实验系统中的机械控制系统与电磁超声的激励、接收系统进行了设计和搭建。通过实验对断层扫描实验系统的稳定性进行了分析。 （3）采用断层扫描测量实验系统，测量了环形线圈EMAT与跑道形线圈EMAT在Al块中激励的辐射声场，并分析了接收换能器在Al块中对激励信号的影响，计算了对接收信号的补偿系数。验证了断层扫描实验系统可对EMAT激励的辐射声场进行测量。 （4）为了对EMAT在检测汽车发动机中汽缸盖、气缸与曲轴中的所激励的辐射声场进行测量，分析不同检测部件与不同激励频率对辐射声场的影响。基于断层扫描实验系统，采用发动机各部件常用组成材料即Al和20#钢作为测量对象，分析EMAT在不同检测部件中所激励的辐射声场特性的不同。其次比较分析了跑道形线圈EMAT在20#钢中，激励频率为1MHz、1.5MHz、2MHz时辐射声场分布的影响，及激励频率对声束与声压的影响。

目录

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第一章 绪论

1.1课题来源

1.2研究背景及意义

1.3辐射声场的研究进展

1.3.1目前对辐射声场的测量方法

1.3.2国内外研究现状

1.4本文研究工作

第二章 电磁超声换能器基本机理与断层扫描原理

2.1引言

2.2电磁超声换能器结构

2.3电磁超声常用的超声波类型

2.3.1纵波（L波）

2.3.2横波（S波）

2.3.3表面波（R波）

2.4电磁超声换能器激励与接收机制

2.4.1洛伦兹力机制

2.4.2磁滞伸缩力机制

2.4.3磁化力机制

2.4.4电磁超声换能器接收机制

2.4.5固体中超声波的传播

2.5断层扫描

2.5.1断层扫描原理

2.5.2接收换能器选取及要求

2.5.3接收换能器磁场的影响及补偿方法

2.5本章小结

第三章 断层扫描实验系统构建

3.1引言

3.2接收换能器设计

3.2.1实验系统

3.2.2磁铁的选择

3.2.3线圈的设计

3.2.4磁铁自激振荡的影响

3.2.5提离的影响

3.2.6接收换能器制作

3.3断层扫描测量系统的组建

3.3.1机械扫查控制系统

3.3.2软件系统组成

3.4接收传感器及实验系统稳定性分析

3.5断层扫描测量

3.5.1断层扫描测量流程

3.5.2扫查路径规划

3.5.3接收信号的平均次数的选择

3.5.4断层扫描信号的提取方式

3.6本章小结

第四章 EMAT辐射声场的测量

4.1引言

4.2环形线圈EMAT辐射声场的测量

4.2.1 B扫确定扫描范围

4.2.2对环形线圈补偿系数测量

4.2.3 辐射声场的扫描

4.3跑道形线圈EMAT辐射声场的测量

4.3.1 B扫确定扫描范围

4.3.2对跑道形线圈补偿系数测量

4.3.3辐射声场扫描

4.4本章小结

第五章 发动机关键件常用材料中辐射声场特性研究

5.1引言

5.2发动机常用材料辐射声场测量及分析

5.2.1 B扫描确定扫描范围

5.2.2 不同材料中的补偿系数

5.2.3辐射声场的断层扫描

5.2.4不同材料中声束的变化

5.2.5不同材料中声压的变化

5.3激励频率对EMAT检测发动机时辐射声场的影响

5.3.1 各激励频率下辐射声场测量

5.3.2 激励频率对辐射声场声束的影响

5.3.3 激励频率对辐射声场声压的影响

5.4本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢