CN103308609A - 一种基于电磁超声发射换能器的Lamb波模式控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于电磁超声发射换能器的Lamb波模式控制方法，属于电磁波领域，为解决在非接触型超声无损检测的过程中，由于电磁超声Lamb波的多模式特性导致的回波信号复杂、无法检测的问题。获取Lamb波群速度曲线和相速度曲线；设置激发脉冲电流频率和脉冲周期，计算频厚积；确定产生的Lamb波模式；计算波长并建模求解单根导线产生的各模式Lamb波的振动位移和振动位移峰值；确定曲折线圈的根数并计算它的各模式振动位移和振动位移峰值；判断l是否大于λmax；若是，则对所有振动位移峰值做归一化处理，得到l与归一化值之间的对应关系完成电磁超声Lamb波模式控制，否则令N的值加1。用于对Lamb波模式的控制。

Description

一种基于电磁超声发射换能器的Lamb波模式控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于电磁超声发射换能器的Lamb波模式控制方法，属于电磁学领域。
背景技术
Lamb波沿传播路径衰减小、检测范围大、灵敏度高，可实现对板材高效率、无盲区检测，已经成为广受关注的无损检测方式之一。采用电磁超声换能器可方便在板中激发产生Lamb波，与其它类型超声波不同，Lamb波具有多模式特性，这种特性会对超声检测带来负面影响。若多个模式的Lamb波同时在试件中传播，使接收到的时域信号存在多个包络，并且不同模式遇到缺陷或者边界会发生相互模式转换，导致接收到的信号十分的复杂以致难以分辨从而导致检测失败。对于电磁超声Lamb波的多模式在无损检测中的不利影响，目前国内外还未明确地提出Lamb波模式控制方法。
发明内容
本发明目的是为了解决在非接触型超声无损检测的过程中，由于电磁超声Lamb波的多模式特性导致的回波信号复杂、无法检测的问题，提供了一种基于电磁超声发射换能器的Lamb波模式控制方法。
本发明所述一种基于电磁超声发射换能器的Lamb波模式控制方法，该方法的实现步骤为：
步骤一：根据待测试件的厚度、超声波在待测试件中的纵波速度和超声波在待测试件中的横波速度，获得Lamb波在待测试件中的群速度曲线和相速度曲线；
步骤二：设置激发脉冲电流频率为f，脉冲周期数为m；
步骤三：根据脉冲电流的频率f和待测试件的厚度d，计算得到频厚积f′，其中f′=f×d；
步骤四：根据步骤三得到的频厚积f′和步骤一得到的群速度曲线确定待测试件中产生的Lamb波模式，所述Lamb波模式包括A0到A3模式和S0到S3模式；
步骤五：根据步骤三得到的频厚积f′和步骤一所得到的相速度曲线，可得到步骤四所确定的待测试件中激发产生的各模式Lamb波的相速度cp，根据公式计算得到各模式的波长λA0、λA1…、λS0、λS1…，定义各模式波长中的最大值为λmax、最小值为λmin；
步骤六：采用有限元方法对步骤四所确定的待测试件中激发产生的各模式Lamb波的发射过程进行建模，求解出电磁超声发射换能器的单根导线在待测试件中产生的各模式Lamb波的振动位移D(x)和振动位移峰值；
步骤七：确定电磁超声发射换能器曲折线圈的根数n；
步骤八：在第N次条件下，N为初始值为1的正整数；根据步骤七中电磁超声发射换能器曲折线圈的n根导线之间的间距和步骤六所得出的电磁超声发射换能器的单根导线各模式Lamb波的振动位移D（x），可由公式
Figure BDA00003412448700022
计算得到电磁超声发射换能器曲折线圈产生的各模式振动位移和振动位移峰值；
其中，Dtotoal为电磁超声发射换能器曲折线圈产生的各模式振动位移；
步骤九：判断l的值是否大于预设值λmax；如果判断结果为是，则执行步骤十；如果判断结果为否，则令N的值加1，并返回步骤八；
步骤十：以步骤六得到的振动位移信号峰值为标准值，对步骤八得到的所有振动位移峰值做归一化出处理，得到不同线圈间距l与各模式振动位移峰值归一化值之间的对应关系；从而通过设置发射线圈间距l值控制各模式Lamb波在待测试件中的振动位移峰值；最终完成电磁超声Lamb波模式控制的目的。
本发明的优点：本发明所述基于电磁超声发射换能器的Lamb波模式控制方法，通过对电磁超声发射换能器的不同线圈间距与各模式振动位移峰值之间的对应关系，只需改变发射线圈间距，可有效的控制各模式在板中振动位移峰值，消弱了电磁超声Lamb波多模式影响，提高了电磁超声Lamb波的检测性能。本发明的方法广泛适用于采用电磁超声方法对Lamb波模式进行控制。
附图说明
图1为本发明的方法流程图；
图2为具体实施方式一中步骤六所述的模型示意图；
图3为电磁超声Lamb波发射换能器的曲折线圈的结构示意图；
图4为具体实施方案六待测试件1为铝板的群速度曲线f′-cg，图中的曲线为A0到A3和S0到S3为不同Lamb波模式的群速度曲线；
图5为具体实施方案六待测试件1为铝板的相速度曲线f′-cp，图中的曲线为A0到A3和S0到S3为不同Lamb波模式的相速度曲线；
图6为具体实施方式六待测试件1上固定时刻的振动位移曲线；
图7为具体实施方式六对应图2中n为6时的A0、S0模式的振动位移峰值归一化曲线；
图8为具体实施方式六中l为2.34mm对应的实验波形，其中，U1为主冲击，B1为S0模式的振动位移转化后的电压信号曲线，C1为A0模式的振动位移转化后的电压信号曲线；
图9为具体实施方式六中对应l为5.38mm对应的实验波形，其中U2为主冲击，B2为S0模式的振动位移转化后的电压信号曲线，C2为A0模式的振动位移转化后的电压信号曲线。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式所述一种基于电磁超声发射换能器的Lamb波模式控制方法，该方法的实现步骤为：
步骤一：根据待测试件1的厚度、超声波在待测试件1中的纵波速度和超声波在待测试件1中的横波速度，获得Lamb波在待测试件1中的群速度曲线和相速度曲线；
步骤二：设置激发脉冲电流频率为f，脉冲周期数为m；
步骤三：根据脉冲电流的频率f和待测试件1的厚度d，计算得到频厚积f′，其中f′=f×d；
步骤四：根据步骤三得到的频厚积f′和步骤一得到的群速度曲线确定待测试件1中产生的Lamb波模式，所述Lamb波模式包括A0到A3模式和S0到S3模式；
步骤五：根据步骤三得到的频厚积f′和步骤一所得到的相速度曲线，可得到步骤四所确定的待测试件1中激发产生的各模式Lamb波的相速度cp，根据公式
Figure BDA00003412448700031
计算得到各模式的波长λA0、λA1…、λS0、λS1…，定义各模式波长中的最大值为λmax、最小值为λmin；
步骤六：采用有限元方法对步骤四所确定的待测试件1中激发产生的各模式Lamb波的发射过程进行建模，求解出电磁超声发射换能器的单根导线2在待测试件1中产生的各模式Lamb波的振动位移D(x)和振动位移峰值；
步骤七：确定电磁超声发射换能器曲折线圈5的根数n，其中n为正整数；
步骤八：在第N次条件下，N为初始值为1的正整数；根据步骤七中电磁超声发射换能器曲折线圈5的n根导线之间的间距和步骤六所得出的电磁超声发射换能器的单根导线2各模式Lamb波的振动位移D（x），可由公式计算得到电磁超声发射换能器曲折线圈5产生的各模式振动位移和振动位移峰值；
其中，Dtotoal为电磁超声发射换能器曲折线圈5产生的各模式振动位移；
步骤九：判断l的值是否大于预设值λmax；如果判断结果为是，则执行步骤十；如果判断结果为否，则令N的值加1，并返回步骤八；
步骤十：以步骤六得到的振动位移信号峰值为标准值，对步骤八得到的所有振动位移峰值做归一化出处理，得到不同线圈间距l与各模式振动位移峰值归一化值之间的对应关系；从而通过设置发射线圈间距l值控制各模式Lamb波在待测试件1中的振动位移峰值；最终完成电磁超声Lamb波模式控制的目的。
具体实施方式二：下面结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式所述的步骤六中所述的采用有限元方法对步骤四所确定的待测试件1中激发产生的各模式Lamb波的发射过程进行建模的模型包括：待测试件模型、电磁超声发射换能器的单根导线模型、电磁超声发射换能器的永磁铁模型和空气远场模型；
电磁超声Lamb波发射换能器单根导线模型位于待测试件模型和电磁超声发射换能器永磁铁模型之间；所述待测试件模型为待测试件1；所述电磁超声发射换能器的单根导线模型为激励电流载体，在待测试件模型中感应出涡流；所述电磁超声换能器永磁铁模型提供静态偏置磁场使待测试件模型中涡流受到洛伦兹力的作用，从而在待测试件模型产生Lamb波；所述空气远场模型限定待测试件模型、电磁超声发射换能器的单根导线模型、电磁超声发射换能器的永磁铁模型的边界条件；
电磁超声Lamb波换能器单根导线模型通入电磁超声换能器的激发电流频率f的脉冲电流，计算得出电磁超声发射换能器为单根导线时，待测试件模型激发产生的各模式Lamb波的振动位移和振动位移峰值。
具体实施方式三：下面结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式所述的待测试件1采用厚度为2mm的铝合金板材，电磁超声换能器的激发电流频率f为500kHz，频厚积f′为1MHz·mm。
具体实施方式四：下面结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式所述的电磁超声发射换能器曲折线圈5的根数n为6。
具体实施方式五：下面结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，本实施方式所述的电磁超声换能器磁铁为钕铁鹏材料N35型永磁铁，二维模型长度为50mm、高度为40mm。
具体实施方式六：下面结合图1至图9说明本实施方式，本实施方式对实施方式一和步骤二所作的进一步说明，本实施方式为采用具体实施方式一所述基于电磁超声发射换能器的Lamb波模式控制方法的具体实例；
步骤一：待测试件1为厚度是2mm的铝合金板材，所绘制的电磁超声Lamb波群速度曲线如图4所示和电磁超声Lamb波相速度曲线如图5所示；
步骤二：设置激发电流频率f为500kHz，脉冲周期数m为3；
步骤三：根据脉冲电流的频率f为500kHz，频厚积f′为1MHz·mm；
步骤四：根据频厚积f′1MHz·mm和待测试件1的厚度2mm，确定待测试件1中产生的Lamb波模式，图4中激发出对应点9(1,5.17)S0模式和对应点8(1,3.16)A0模式两种模式；
步骤五：根据频厚积f′1MHz·mm和待测试件1的厚度2mm，确定步骤四中S0模式的相速度cp-S0为5.375mm/μs和A0模式的相速度cp-A0=2.343mm/μs，根据公式
Figure BDA00003412448700051
计算得到S0模式波长为10.75mm和A0模式波长为4.686mm，对应λmax为10.75mm、λmin为4.686mm；
步骤六：采用有限元方法对步骤四所确定的待测试件1中激发产生的各模式Lamb波的发射过程进行建模，模型包括待测试件模型1、电磁超声发射换能器的单根导线模型2、永磁铁模型3和空气远场模型4；
待测试件模型1、电磁超声Lamb波发射换能器单根导线模型2、永磁铁模型3设置在空气场模型4内；电磁超声Lamb波发射换能器单根导线模型2位于待测试件模型1和永磁铁模型3之间；
模型中电磁超声Lamb波换能器单根导线模型2通入电磁超声换能器的激发电流频率f的脉冲电流，计算得出电磁超声发射换能器为单根导线时，待测试件模型激发产生的各模式Lamb波的振动位移D（x）如图6所示和振动位移峰值为69.4nm；
步骤七：确定电磁超声发射换能器曲折线圈5的根数n为6；
步骤八：在第N次条件下，N为初始值为1；步骤七中电磁超声发射换能器曲折线圈5的n根导线之间的间距l=N×0.0732mm，根据步骤六所得出的电磁超声发射换能器的单根导线2各模式Lamb波的振动位移D（x），可由公式
Figure BDA00003412448700052
计算得到电磁超声发射换能器曲折线圈5产生的各模式振动位移和振动位移峰值；
步骤九：判断l的值是否大于预设值10.75mm；如果判断结果为是，则执行步骤十；如果判断结果为否，则令N的值加1，并返回步骤八，N为正整数；
步骤十：以步骤六得到的振动位移信号峰值69.4nm为标准值，对步骤八得到的所有振动位移峰值做归一化出处理，得到不同线圈间距l与各模式振动位移峰值归一化值之间的对应关系，如图7所示；
由图7可以看出电磁超声发射换能器曲折线圈的线圈间距l在1.2mm到3.2mm之间时，A0模式强而S0模式弱，电磁超声发射换能器曲折线圈的线圈间距l为2.34mm时，对应图7中点10-1(2.34,4.18)和点11-1(2.34,0.95)，A0模式最强，对应的实验波形如图8所示；
线圈间距l在4mm到8mm之间时，A0模式弱而S0模式强，电磁超声发射换能器曲折线圈的线圈间距l为5.38mm时，对应图7中点10-2(5.38,0.82)和点11-2(5.38,4.18)，S0模式最强，对应的实验波形如图9所示。
以上内容是结合具体实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (5)

1.一种基于电磁超声发射换能器的Lamb波模式控制方法，其特征在于，该方法的实现步骤为：
步骤一：根据待测试件（1）的厚度、超声波在待测试件（1）中的纵波速度和超声波在待测试件（1）中的横波速度，获得Lamb波在待测试件（1）中的群速度曲线和相速度曲线；
步骤二：设置激发脉冲电流频率为f，脉冲周期数为m；
步骤三：根据脉冲电流的频率f和待测试件（1）的厚度d，计算得到频厚积f′，其中f′=f×d；
步骤四：根据步骤三得到的频厚积f′和步骤一得到的群速度曲线确定待测试件（1）中产生的Lamb波模式，所述Lamb波模式包括A0到A3模式和S0到S3模式；
步骤五：根据步骤三得到的频厚积f′和步骤一所得到的相速度曲线，可得到步骤四所确定的待测试件（1）中激发产生的各模式Lamb波的相速度cp，根据公式
Figure FDA00003412448600011
计算得到各模式的波长λA0、λA1…、λS0、λS1…，定义各模式波长中的最大值为λmax、最小值为λmin；
步骤六：采用有限元方法对步骤四所确定的待测试件（1）中激发产生的各模式Lamb波的发射过程进行建模，求解出电磁超声发射换能器的单根导线（2）在待测试件（1）中产生的各模式Lamb波的振动位移D(x)和振动位移峰值；
步骤七：确定电磁超声发射换能器曲折线圈（5）的根数n；
步骤八：在第N次条件下，N为初始值为1的正整数；根据步骤七中电磁超声发射换能器曲折线圈（5）的n根导线之间的间距
Figure FDA00003412448600012
和步骤六所得出的电磁超声发射换能器的单根导线（2）各模式Lamb波的振动位移D（x），可由公式
Figure FDA00003412448600013
计算得到电磁超声发射换能器曲折线圈（5）产生的各模式振动位移和振动位移峰值；
其中，Dtotoal为电磁超声发射换能器曲折线圈（5）产生的各模式振动位移；
步骤九：判断l的值是否大于预设值λmax；如果判断结果为是，则执行步骤十；如果判断结果为否，则令N的值加1，并返回步骤八；
步骤十：以步骤六得到的振动位移信号峰值为标准值，对步骤八得到的所有振动位移峰值做归一化出处理，得到不同线圈间距l与各模式振动位移峰值归一化值之间的对应关系；从而通过设置发射线圈间距l值控制各模式Lamb波在待测试件（1）中的振动位移峰值；最终完成电磁超声Lamb波模式控制的目的。
2.根据权利要求1所述一种基于电磁超声发射换能器的Lamb波模式控制方法，其特征在于，步骤六中所述的采用有限元方法对步骤四所确定的待测试件（1）中激发产生的各模式Lamb波的发射过程进行建模的模型包括：待测试件模型、电磁超声发射换能器的单根导线模型、电磁超声发射换能器的永磁铁模型和空气远场模型；
电磁超声Lamb波发射换能器单根导线模型位于待测试件模型和电磁超声发射换能器永磁铁模型之间；所述待测试件模型为待测试件（1）；所述电磁超声发射换能器的单根导线模型为激励电流载体，在待测试件模型中感应出涡流；所述电磁超声换能器永磁铁模型提供静态偏置磁场使待测试件模型中涡流受到洛伦兹力的作用，从而在待测试件模型产生Lamb波；所述空气远场模型限定待测试件模型、电磁超声发射换能器的单根导线模型、电磁超声发射换能器的永磁铁模型的边界条件；
电磁超声Lamb波换能器单根导线模型通入电磁超声换能器的激发电流频率f的脉冲电流，计算得出电磁超声发射换能器为单根导线时，待测试件模型激发产生的各模式Lamb波的振动位移和振动位移峰值。
3.根据权利要求1所述一种基于电磁超声发射换能器的Lamb波模式控制方法，其特征在于，所述待测试件（1）采用厚度为2mm、长度为1m的铝合金板材，电磁超声换能器的激发电流频率f为500kHz，频厚积f′为1MHz·mm。
4.根据权利要求1所述一种基于电磁超声发射换能器的Lamb波模式控制方法，其特征在于，所述电磁超声换能器单根导线（2）为漆包线黄铜丝，直径为0.4mm。
5.根据权利要求1所述一种基于电磁超声发射换能器的Lamb波模式控制方法，其特征在于，所述电磁超声发射换能器曲折线圈（5）的根数n为6。
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