CN108426948A - 一种激发单一模态Lamb波的电磁超声换能器及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明激发单一模态Lamb波的电磁超声换能器包括上磁铁、下磁铁、待测试件、上激励线圈与下激励线圈，上激励线圈设置于待测试件上方，下激励线圈设置于待测试件下方，上、下激励线圈之间用导线连接，且上、下激励线圈在竖直方向投影重合。上磁铁设置于上激励线圈上方，下磁铁设置于下激励线圈下方，上磁铁与下磁铁相互平行且在竖直方向上投影重合。激发对称模态时，上磁铁与下磁铁安装的极化方向一致且垂直于待测试件；激发反对称模态时，上磁铁与下磁铁安装的极化方向一致且平行于待测试件件。通过改变磁铁的极化方向和激励线圈电流的方向，使得待测试件内部产生超声振动的洛伦兹力方向改变，进而选择性地激发对称模态和非对称模态的Lamb波。
Description
技术领域：
本发明涉及电磁超声无损检测技术，具体为一种激发单一模态Lamb波的电磁超声换能器及其工作方法。
背景技术：
电磁超声换能器(Electromagnetic acoustic transducer，简称EMAT)是一种激发和接收超声波的装置。该装置无需声耦合剂，结构简单，可以方便地激发多种模式的超声波，可实现非接触、高温、快速测量，因此广受研究者关注。在金属导体中激发电磁超声，通常有两种方法，一种是基于洛伦兹力机理，一种是基于磁致伸缩机理。基于洛伦兹力的电磁超声换能器通常用于非铁磁性导电材料的检测，通常由磁铁，线圈和检测试件组成，线圈设置在待检测试件上，磁铁设置在线圈上面。检测时，在发射线圈中施加猝发激励信号，线圈在待测试件上感应出与激励信号同频率的电涡流，电涡流在磁铁的静态偏置磁场作用下在待测试件中产生洛伦兹力，在动态洛伦兹力作用下待测试件中产生超声波，超声波接收的过程就是超声波激发过程的逆过程。
通常使用Lamb波对铝板等板材进行检测。根据铝板中Lamb波的频散曲线(如图1所示)，根据Lamb波在板中的位移形式不同，将Lamb波分为对称模式和反对称模式，其中对称模式包括S0，S1，S2等等，反对称模式分为A0，A1，A2等等。在激发Lamb波时，在同一频厚积下会同时激发出多种模态的Lamb波，这给后期的信号处理和损伤识别带来极大的困难。所以，检测时采用的频厚积通常小于S1和A1模态的截止频厚积，这样检测信号中理论上将只存在A0和S0两种模态。在频厚积较小时，A0和S0模态的波速有较大差异，使得检测时直达信号和缺陷反射信号难以辨识，因此激发出单一模态的Lamb波(A0模态或者S0模态)对于利用Lamb波进行无损检测尤为重要。目前的激发Lamb波的办法是，先确定需要激发的Lamb波模态，根据频散曲线上频厚积与需要激发的模态的相速度，计算出相对应波长来设计的回折线圈线间距，再根据所选择的激励频率来激发相对应的Lamb波。由于同一频厚积条件下，同时存在多个模态，因此激励出来的Lamb波总是存在多个模态。这在很大程度上限制了电磁超声换能器的应用，因此，非常有必要研制新的换能器结构来有效地激发单一模态的Lamb波。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种激发单一模态Lamb波的电磁超声换能器及其工作方法，该换能器采用二个线圈和二个磁铁，通过改变磁铁的极化方向，改变待测试件中所产生的洛伦兹力方向，实现单一模态Lamb波的激发、获得更高的信噪比和换能器灵敏度、提高信号的辨识度等目的。
本发明采用如下技术方案：一种激发单一模态Lamb波的电磁超声换能器，换能器包括上磁铁，上激励线圈，待测试件，下激励线圈，下磁铁，所述上激励线圈设置于待测试件上方且与待测试件不相接触，下激励线圈设置于待测试件)下方且与待测试件不相接触，上激励线圈与下激励线圈结构相同，并且在竖直方向投影重合，上磁铁设置于上激励线圈上方，下磁铁设置于下激励线圈下方，上磁铁与待测试件下方的下磁铁在竖直方向上投影重合，且上磁铁与下磁铁相互平行。
进一步地，激发对称模态Lamb波时，所述上磁铁与下磁铁安装的极化方向一致且垂直于待测试件；激发反对称模态Lamb波时，所述上磁铁与下磁铁安装的极化方向一致且平行于待测试件。
本发明还采用如下技术方案：一种激发单一模态Lamb波的电磁超声换能器的工作方法，其特征在于：激发对称模态Lamb波时，包括如下步骤：
步骤一：上磁铁与下磁铁安装的极化方向一致且垂直于待测试件表面，使静态偏置磁场方向垂直于待测试件，上磁铁与下磁铁的偏置磁场在两个磁铁之间进行叠加，使得竖直方向磁场增强，而水平方向磁场相互抵消；
步骤二：根据频散曲线上频率与厚度的乘积所对应的对称模态的相速度，计算出所需要的波长，再根据波长设计所需要的激励线圈；
步骤三：在上激励线圈和下激励线圈中施加相同的猝发激励信号，上激励线圈在待测试件上表面感应出电涡流，下激励线圈在待测试件下表面感应出电涡流，电涡流与偏置磁场相互作用在待测试件中产生洛伦兹力，在动态洛伦兹力作用下待测试件中产生对称模态Lamb波；
激发反对称模态Lamb波时，包括如下步骤：
步骤一：上磁铁与下磁铁安装的极化方向一致且平行于待测试件，静态偏置磁场方向平行于待测试件，上磁铁与下磁铁的偏置磁场在两个磁铁之间进行叠加，使得水平方向磁场增强，而竖直方向磁场相互抵消；
步骤二：根据频散曲线上频率与厚度的乘积所对应的反对称模态的相速度，计算出所需要的波长，再根据波长设计所需要的激励线圈；
步骤三：在上激励线圈和下激励线圈中施加相同的猝发激励信号，上激励线圈在待测试件上表面感应出电涡流，下激励线圈在待测试件下表面感应出电涡流，电涡流与偏置磁场相互作用在待测试件中产生洛伦兹力，在动态洛伦兹力作用下待测试件中产生反对称模态Lamb波。
本发明具有如下有益效果：通过改变上下两块磁铁的放置方式，在待测试件中产生不同方向的静态偏置磁场。垂直于待测试件的磁场用于激发对称模态；平行于待测试件的磁场用于激发反对称模态。本发明换能器可以选择性的激发单一模态的Lamb波，并满足铝板等非铁磁性金属板材的非接触自动化扫描在线检测。
附图说明：
图1为铝板中Lamb波相速度频散曲线。
图2为铝板示意图。
图3为铝板二维模型。
图4为本发明激发S0模态的电磁超声换能器的总体结构图。
图5为本发明激发A0模态的电磁超声换能器的总体结构图。
图6为传统的电磁超声换能器激发S0模态时的波形图。
图7为传统的电磁超声换能器激发A0模态时的波形图。
图8为本发明激发S0模态时待测试件中的磁力线分布图。
图9为本发明激发S0模态时的波形图。
图10为本发明激发A0模态时待测试件中的磁力线分布图。
图11为本发明激发A0模态时的波形图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
为说明方便，下面以激发对称模态中的S0模态和反对称模态中的A0模态为例进行说明，但本发明不限于S0模态和A0模态的激发。
本发明的原理如下：
在图2所示的铝板中，Lamb波的控制方程为
式中λ，μ为材料的拉梅常数，ρ为材料的密度，t为时间变量，u为铝板的位移矢量，▽、▽2分别为哈密顿算子和拉普拉斯算子，在如图2的坐标系下其表达式分别为：
假设Lamb波沿x方向传播，则波的振动与y轴无关，因此板中Lamb波的传播可用如图3所示的二维模型来代替。
通过Helmholtz分解，(1)式可表示为
φ，ψ分别为定义的标量势和矢量势。其中，
设(2)、(3)式中的势函数具有谐波的形式
φ＝Φ(z)exp[i(kx-ωt)] (4)
ψ＝Ψ(z)exp[i(kx-ωt)] (5)
将(4)和(5)带入式(2)和(3)可得
Φ(z)＝A1sin(pz)+A2cos(pz) (6)
Ψ(z)＝B1sin(qz)+B2cos(qz) (7)
其中，由势函数表示的位移及应力关系式可表示为
将是(4)(5)(6)(7)代入上式，可得
ux＝[ikA2cos(pz)+qB1cos(qz)]+[ikA1sin(pz)-qB2sin(qz)] (8)
uz＝-[pA2sin(pz)+ikB1sin(qz)]+[A1p cos(pz)-ikB2cos(qz)] (9)
τzx＝μ[-2ikpA2sin(pz)+(k2-q2)B1sin(qz)]+μ[2ikpA1cos(pz)+(k2-q2)B2cos(qz)] (10)
τzz＝μ[(k2-q2)A2cos(pz)-2ikqB1cos(qz)]+μ[(k2-q2)A1sin(pz)+2ikqB2sin(qz)] (11)
由上式可知面内位移ux、离面位移uz、正应力τzz、和剪应力τzx均可划分为对称(S模态)和反对称(A模态)两部分。
(1)对称模态(S模态)
ux＝[ikA2cos(pz)+qB1cos(qz)]
uz＝-[pA2sin(pz)+ikB1sin(qz)]
τzx＝μ[-2ikpA2sin(pz)+(k2-q2)B1sin(qz)]
τzz＝μ[(k2-q2)A2cos(pz)-2ikqB1cos(qz)]
由自由边界条件τzx|z＝±d＝0，τzz|z＝±d＝0得经典的对称模态(S模态)Lamb频散方程
对于本发明，激发S0模态时施加的载荷可简化为
将(13)带入(10)并化简可得
2ikpA1-(k2-q2)B2＝0
代入式(8)(9)(10)(11)可得面内位移ux、离面位移uz、正应力τzz、和剪应力τzx均只剩下为对称(S模态)部分。因此，本发明在激励S0模态时可有效抑制A0模态的产生。
(2)反对称模态(A模态)
ux＝[ikA1sin(pz)-qB2sin(qz)]
uz＝[A1pcos(pz)-ikB2cos(qz)]
τzx＝μ[2ikpA1cos(pz)+(k2-q2)B2cos(qz)]
τzz＝μ[(k2-q2)A1sin(pz)+2ikqB2sin(qz)]
由自由边界条件τzx|z＝±d＝0，τzz|z＝±d＝0得经典的反对称模态(A模态)Lamb频散方程
对于本发明，激发A0模态时施加的载荷可简化为
将(15)带入(11)并化简可得
(q2-k2)A2+2ikqB1＝0
带入式(8)(9)(10)(11)可得面内位移ux、离面位移uz、正应力τzz、和剪应力τzx均只剩下为反对称(A模态)部分。因此，本发明在激励A0模态时可有效抑制S0模态的产生。上述正应力τzz、和剪应力τzx对应于本发明中垂直于板面的洛伦兹力和平行于板面的洛伦兹力。
如图4所示，本发明激发S0模态的电磁超声换能器结构包括上磁铁1，上激励线圈2，待测试件3，下激励线圈4，下磁铁5。上激励线圈2设置于待测试件3上方且与待测试件3不相接触，上磁铁1设置于上激励线圈2上方。下激励线圈4设置于待测试件3下方且与待测试件3不相接触，下磁铁5设置于下激励线圈4下方。检测时，在上激励线圈2和下激励线圈4中施加猝发激励信号，上激励线圈2和下激励线圈4在待测试件3上感应出电涡流，电涡流与上磁铁1、下磁铁5产生的静态磁场作用下在待测试件3中产生洛伦兹力，动态洛伦兹力作用下在待测试件3中产生Lamb波。
上磁铁1和下磁铁5在安装时，上磁铁1和下磁铁5在竖直方向上投影重合，安装的极化方向一致。即上磁铁1的N极在上S极在下，下磁铁5也是N极在上S极在下。
图5示出了激发A0模态的电磁超声换能器结构，与激发S0模态的电磁超声换能器结构类似。不同的是，激发A0模态时，上磁铁1和下磁铁5的极化方向为水平方向且相同。即上磁铁1的N极在右S极在左，则下磁铁5也是N极在右S极在左。
本发明激发单一模态Lamb波的电磁超声换能器的工作方法，激发对称模态Lamb波时，包括如下步骤：
步骤一：上磁铁1与下磁铁5安装的极化方向一致且垂直于待测试件3表面，使静态偏置磁场方向垂直于待测试件3，上磁铁1与下磁铁5的偏置磁场在两个磁铁之间进行叠加，使得竖直方向磁场增强，而水平方向磁场相互抵消；
步骤二：根据频散曲线上频率与厚度的乘积所对应的对称模态的相速度，计算出所需要的波长，再根据波长设计所需要的激励线圈；
步骤三：在上激励线圈2和下激励线圈4中施加相同的猝发激励信号，上激励线圈2在待测试件3上表面感应出电涡流，下激励线圈4在待测试件3下表面感应出电涡流，电涡流与偏置磁场相互作用在待测试件3中产生洛伦兹力，在动态洛伦兹力作用下待测试件3中产生对称模态Lamb波；
激发反对称模态Lamb波时，包括如下步骤：
步骤一：上磁铁1与下磁铁5安装的极化方向一致且平行于待测试件3，静态偏置磁场方向平行于待测试件3，上磁铁1与下磁铁5的偏置磁场在两个磁铁之间进行叠加，使得水平方向磁场增强，而竖直方向磁场相互抵消；
步骤二：根据频散曲线上频率与厚度的乘积所对应的反对称模态的相速度，计算出所需要的波长，再根据波长设计所需要的激励线圈；
步骤三：在上激励线圈2和下激励线圈4中施加相同的猝发激励信号，上激励线圈2在待测试件3上表面感应出电涡流，下激励线圈4在待测试件3下表面感应出电涡流，电涡流与偏置磁场相互作用在待测试件3中产生洛伦兹力，在动态洛伦兹力作用下待测试件3中产生反对称模态Lamb波
激励线圈的设计过程为：根据检测时高频激励电流的频率和铝板厚度的乘积(简称频厚积)，在Lamb波的相速度频散曲线上选取相应的S0模态和A0模态的相速度vp，根据公式vp＝f·λ(f为激励电流频率，λ为所要激发Lamb波的波长)可计算出所要激发的S0模态或A0模态的波长。再根据相长干涉的原理，选取0.5λ作为回折线圈的线间距
图6示出了使用传统的电磁超声换能器激发S0模态时的波形图，图7示出了使用传统的电磁超声换能器激发A0模态时的波形图。
图8为本发明激发S0模态时磁力线在被测试样以及空气中的分布情况，由图中可以看出采用上磁体和下磁体极化方向相同且为竖直方向后，待测试件中的磁力线基本沿竖直方向。根据洛伦兹力的计算公式F＝J×B知洛伦兹力的主要方向为水平方向，因此可以有效地激发出S0模态，同时抑制A0模态的产生。图9为本发明激发S0模态时的波形图。
图10为本发明激发A0模态时磁力线在被测试样以及空气中的分布情况，由图中可以看出采用上磁体和下磁体极化方向相同且为水平方向后，待测试件中的磁力线基本沿水平方向。根据洛伦兹力的计算公式F＝J×B知洛伦兹力的主要方向为竖直方向，因此可以有效地激发出A0模态，同时抑制S0模态的产生。图11为本发明激发A0模态时的波形图。
本发明在传统的激发Lamb波的电磁超声换能器的基础上，采用两个永磁体来提供偏置磁场，并根据S0模态和A0模态的特点改变磁铁的放置方式。通过仿真和实验验证，本发明可有效地激发单一的Lamb模态。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种激发单一模态Lamb波的电磁超声换能器，其特征在于：换能器包括上磁铁(1)，上激励线圈(2)，待测试件(3)，下激励线圈(4)，下磁铁(5)，所述上激励线圈(2)设置于待测试件(3)上方且与待测试件(3)不相接触，下激励线圈(4)设置于待测试件(3)下方且与待测试件(3)不相接触，上激励线圈(2)与下激励线圈(4)结构相同，并且在竖直方向投影重合，上磁铁(1)设置于上激励线圈(2)上方，下磁铁(5)设置于下激励线圈(4)下方，上磁铁(1)与待测试件(3)下方的下磁铁(5)在竖直方向上投影重合，且上磁铁(1)与下磁铁(5)相互平行。
2.如权利要求1所述的激发单一模态Lamb波的电磁超声换能器，其特征在于：激发对称模态Lamb波时，所述上磁铁(1)与下磁铁(5)安装的极化方向一致且垂直于待测试件(3)；激发反对称模态Lamb波时，所述上磁铁(1)与下磁铁(5)安装的极化方向一致且平行于待测试件(3)。
3.一种激发单一模态Lamb波的电磁超声换能器的工作方法，其特征在于：激发对称模态Lamb波时，包括如下步骤：
步骤一：上磁铁(1)与下磁铁(5)安装的极化方向一致且垂直于待测试件(3)表面，使静态偏置磁场方向垂直于待测试件(3)，上磁铁(1)与下磁铁(5)的偏置磁场在两个磁铁之间进行叠加，使得竖直方向磁场增强，而水平方向磁场相互抵消；
步骤二：根据频散曲线上频率与厚度的乘积所对应的对称模态的相速度，计算出所需要的波长，再根据波长设计所需要的激励线圈；
步骤三：在上激励线圈(2)和下激励线圈(4)中施加相同的猝发激励信号，上激励线圈(2)在待测试件(3)上表面感应出电涡流，下激励线圈(4)在待测试件(3)下表面感应出电涡流，电涡流与偏置磁场相互作用在待测试件(3)中产生洛伦兹力，在动态洛伦兹力作用下待测试件(3)中产生对称模态Lamb波；
激发反对称模态Lamb波时，包括如下步骤：
步骤一：上磁铁(1)与下磁铁(5)安装的极化方向一致且平行于待测试件(3)，静态偏置磁场方向平行于待测试件(3)，上磁铁(1)与下磁铁(5)的偏置磁场在两个磁铁之间进行叠加，使得水平方向磁场增强，而竖直方向磁场相互抵消；
步骤二：根据频散曲线上频率与厚度的乘积所对应的反对称模态的相速度，计算出所需要的波长，再根据波长设计所需要的激励线圈；
步骤三：在上激励线圈(2)和下激励线圈(4)中施加相同的猝发激励信号，上激励线圈(2)在待测试件(3)上表面感应出电涡流，下激励线圈(4)在待测试件(3)下表面感应出电涡流，电涡流与偏置磁场相互作用在待测试件(3)中产生洛伦兹力，在动态洛伦兹力作用下待测试件(3)中产生反对称模态Lamb波。
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