电磁超声体波换能器设计方法

摘要

电磁超声体波换能器设计方法，它涉及一种电磁超声体波换能器的设计方法。本发明为了解决现有电磁超声体波换能器激发体波信号弱以及激发体波信号中波模式较多的问题。主要步骤：定义建模所需要的参数；建立各部分的几何模型；设定材料属性；划分物理场求解区域；发射过程建模；接收过程建模；有限元分网及有限元求解；找出影响电磁超声体波换能器线圈2中感应电压信号强度和声波模式纯度的关键参数，计算电磁超声体波换能器信号最强和声波模式最优时换能器参数，对电磁超声体波换能器进行设计。本发明方法具有操作简单，以及易于分析电磁超声体波换能器参数对感应电压信号影响的特点。本发明可广泛用于任何电磁超声体波换能器的有限元设计。

主权项

一种电磁超声体波换能器设计方法，所述设计方法是基于包括永磁体(1)、电磁超声体波换能器线圈(2)、待测金属试件(3)、细化层(4)、缺陷(5)和空气远场(6)的换能器模型来进行的；所述永磁体(1)为圆柱形永磁体；所述电磁超声体波换能器线圈(2)为螺旋线圈结构，用来在待测金属试件(3)中产生和接收体波；所述细化层(4)位于电磁超声体波换能器线圈(2)下方待测金属试件(3)内；所述缺陷(5)为圆柱形缺陷，位于待测金属试件(3)底部；其特征在于：所述设计方法的具体过程为：步骤一：定义建模所需要的参数，其中主要参数包括永磁体(1)的直径d和高度h，电磁超声体波换能器线圈(2)中导线的间距a，宽度w和匝数n；步骤二：建立包括永磁体(1)、电磁超声体波换能器线圈(2)、待测金属试件(3)、细化层(4)、缺陷(5)和空气远场(6)的几何模型；步骤三：设定材料属性；永磁体(1)设定为磁性材料；电磁超声体波换能器线圈(2)设定为漆包线；待测金属试件(3)设定为待测金属材料；细化层(4)设定为待测金属材料；缺陷(5)和空气远场(6)设定为空气；步骤四：划分物理场求解区域；所述的物理场包括电磁超声体波换能器发射和接收过程中涉及的两个物理场——结构场和电磁场；所述的结构场求解区域包括待测金属试件(3)和细化层(4)；所述的电磁场求解区域包括永磁体(1)、电磁超声体波换能器线圈(2)、待测金属试件(3)、细化层(4)、缺陷(5)和空气远场(6)；步骤五：发射过程建模；所述电磁场求解区域的初始磁矢位为0；所述结构场求解区域初始位移和初始速度均为0；所述永磁体(1)磁场方向为垂直方向；所述电磁超声体波换能器接收线圈(2)通入一定频率的Tone‑Burst信号；所述细化层(4)为结构场的体力载荷施加区域，体力载荷为电磁场计算得到的洛伦兹力；步骤六：接收过程建模；所述电磁场求解区域的初始磁矢位为0；所述结构场求解区域初始位移和初始速度均为0；所述永磁体(1)磁场方向为垂直方向；所述细化层(4)为电磁场的速度感应区域，即结构场的超声波振动切割磁力线在电磁超声体波换能器线圈(2)中感应出电压信号；步骤七：有限元分网；所述永磁体(1)、电磁超声体波换能器线圈(2)、待测金属试件(3)、细化层(4)、缺陷(5)和空气远场(6)采用四面体单元进行分网；所述细化层(4)分网时进行网格细化，增加模型计算精度；步骤八：有限元求解；所述结构场和电磁场采用有限元方法求解，计算待测金属试件(3)中的涡流、洛伦兹力、超声波分布以及电磁超声体波换能器线圈(2)中引起的感应电压信号；步骤九：改变永磁体(1)的直径d和高度h，电磁超声体波换能器线圈(2)中导线的间距a，宽度w和匝数n，建立不同参数的电磁超声体波换能器发射和接收过程完整模型，并求解电磁超声体波换能器线圈(2)中引起的感应电压信号；步骤十：获得电磁超声体波换能器主要参数与电磁超声体波换能器线圈(2)中感应电压信号强度和声波模式纯度的关系；步骤十一：从步骤十给出的关系中找出影响电磁超声体波换能器线圈(2)中感应电压信号强度和声波模式纯度的关键参数，计算电磁超声体波换能器信号最强和声波模式最优时换能器参数，对电磁超声体波换能器进行设计。