CN108680652A - 一种全指向型s0模态兰姆波电磁超声换能器 - Google Patents

Abstract

一种全指向型S0模态兰姆波电磁超声换能器，属于电磁超声检测技术领域，解决了现有S0模态兰姆波电磁超声换能器无法对A0模态兰姆波和A1模态兰姆波进行激发抑制和接收抑制的问题。所述换能器：第一环形子线圈～第2N+1环形子线圈分别紧密地沿着圆柱形磁铁的外缘、第一空心圆柱形磁铁的内、外缘至第N空心圆柱形磁铁的内、外缘分布。通过设计第一环形子线圈内半径、环形子线圈宽度和相邻两个环形子线圈的最小间距，有效地增大了自身激发S0模态兰姆波的幅值，并使选定工作点下的A0模态兰姆波和A1模态兰姆波的波数的傅里叶分解幅值达到最小，进而使所述换能器对A0模态兰姆波和A1模态兰姆波具有较强的激发抑制能力和接收抑制能力。

Description

一种全指向型S0模态兰姆波电磁超声换能器

技术领域

本发明涉及一种电磁超声换能器，属于电磁超声检测技术领域。

背景技术

近年来，作为一项新兴的无损检测技术，电磁超声层析成像被越来越多地应用于金属板材的缺陷检测。

现有的电磁超声层析成像通常采用A0模态兰姆波或S0模态兰姆波作为检测导波。这其中，A0模态兰姆波的波长较大，波速较慢，对金属板材内部缺陷的分辨能力较弱。在遇到缺陷时，A0模态兰姆波的部分能量可能转化为波速较快的S0模态兰姆波，进而影响对A0模态兰姆波到来时间的精确测量。相对于A0模态兰姆波而言，S0模态兰姆波的波长较小，对金属板材内部缺陷的分辨能力较强。在部分频厚积段，S0模态兰姆波的群速度不仅随频厚积的变化率较大，而且明显大于其他模态兰姆波的群速度。这大大降低了S0模态兰姆波与其他模态兰姆波的重叠概率，有助于精确测量S0模态兰姆波的到来时间，进而为金属板材的缺陷层析成像提供更为精确的时间信息。

现有基于S0模态兰姆波的电磁超声层析成像需要基于能够激发和接收S0模态兰姆波的电磁超声换能器实现。然而，现有S0模态兰姆波的电磁超声换能器的设计只考虑到采用声波相长干涉的方式来增大所激发的S0模态兰姆波的幅值，并未考虑到对A0模态兰姆波和A1模态兰姆波进行激发抑制和接收抑制。这严重影响了对S0模态兰姆波到来时间的精确测量，进而影响金属板材的层析成像结果。

发明内容

本发明为解决现有的S0模态兰姆波电磁超声换能器无法对A0模态兰姆波和A1模态兰姆波进行激发抑制和接收抑制的问题，提出了一种全指向型S0模态兰姆波电磁超声换能器。

本发明所述的全指向型S0模态兰姆波电磁超声换能器包括壳体、背板、圆柱形磁铁、第一空心圆柱形磁铁～第N空心圆柱形磁铁和激发线圈；

圆柱形磁铁与第一空心圆柱形磁铁～第N空心圆柱形磁铁等高，第一空心圆柱形磁铁～第N空心圆柱形磁铁的端面均为环形，所述环形的环宽相等且内径依次等差增大；

壳体的一端开口，圆柱形磁铁与第一空心圆柱形磁铁～第N空心圆柱形磁铁均通过背板竖直、同轴且同形心地设置在壳体的内部，圆柱形磁铁位于第一空心圆柱形磁铁的内部，圆柱形磁铁远离背板的一端与壳体的开口端平齐，圆柱形磁铁与第一空心圆柱形磁铁极性相反设置，相邻的两个空心圆柱形磁铁极性相反设置；

激发线圈包括第一环形子线圈～第2N+1环形子线圈，第一环形子线圈～第2N+1环形子线圈同形心地设置在壳体的开口端上，并分别紧密地沿着圆柱形磁铁的外缘、第一空心圆柱形磁铁的内、外缘至第N空心圆柱形磁铁的内、外缘分布，相邻的两个环形子线圈通过导线相连，圆柱形磁铁与第一环形子线圈同轴设置；

第一环形子线圈～第2N+1环形子线圈的宽度相等；

分布在同一空心圆柱形磁铁内、外缘的两个环形子线圈同向绕制；

分布在相邻的两个空心圆柱形磁铁内缘的两个环形子线圈反向绕制；

分布在圆柱形磁铁外缘和第一空心圆柱形磁铁内缘的两个环形子线圈反向绕制；

R₁、W和d是通过以下步骤确定的；

其中，R₁为第一环形子线圈的内半径，W为环形子线圈的宽度，d为相邻的两个环形子线圈的最小间距；

步骤一、在1.80MHz·mm～2.00MHz·mm频厚积范围内，初步选定所述电磁超声换能器的工作点；

步骤二、设定D＝0.5λ1，在(0,2λ]内初步选定R1，使得F1_{S0_A0_A1_max}达到最大；

在(0.25λ1,0.75λ1]内初步选定D，使得F1_{S0_A0_A1_max}达到最大；

其中，D为相邻两个环形子线圈的中心间距，D＝d+W；

λ1为初步选定工作点下的S0模态兰姆波的波长；

R1为第一环形子线圈的中心半径，R1＝R₁+W/2；

F1_{S0_A0_A1_max}为1.80MHz·mm～2.00MHz·mm频厚积范围内的F1_{S0_A0_A1}的最大值；

F1_{S0_A0_A1}为激发的S0模态兰姆波对A0和A1模态兰姆波的抑制能力；

F1_{S0_A0_A1}＝2F1_S0/F1_{S0_max+}(2F1_S0-F1_A1-F1_A0)/F1_S0，F1_A0、F1_S0和F1_A1分别为不同激发频率下的A0、S0和A1模态兰姆波的波数对应的傅里叶分解幅值，F1_{S0_max}为1.80MHz·mm～2.00MHz·mm频厚积范围内的激发S0模态兰姆波的波数对应的傅里叶分解幅值的最大值；

步骤三、假定磁场均一，在(0,D]内初步选定W，使得F2_{S0_A1_max}达到最大；

其中，F2_{S0_A1_max}为1.9MHz·mm频厚积下的F2_{S0_A1}的最大值；

F2_{S0_A1}为激发的S0模态兰姆波对A1模态兰姆波的抑制能力；

F2_{S0_A1}＝F2_S0/F2_{S0_max+}(F2_S0-F2_A1)/F2_S0，F2_S0和F2_A1分别为1.90MHz·mm频厚积下、不同线圈宽度下的激发S0和A1模态兰姆波的波数对应的傅里叶分解幅值；

F2_{S0_max}为1.90MHz·mm频厚积下、线圈宽度在(0，D]内的激发S0模态兰姆波的波数对应的傅里叶分解幅值的最大值；

步骤四、根据初步选定的R1、D和W，确定圆柱形磁铁和空心圆柱形磁铁的尺寸，导入磁场数据，重新计算力源，再次进行傅里叶分解，调节并确定R1、D和W，以弥补水平磁感应强度在空间中存在的梯度，并使F1_{S0_A0_A1_max}达到最大；

根据确定的R1、D和W，确定R₁和d。

本发明所述的全指向型S0模态兰姆波电磁超声换能器用于对各向同性的非铁磁金属板材进行超声层析成像。

本发明所述的全指向型S0模态兰姆波电磁超声换能器，第一环形子线圈～第2N+1环形子线圈分别紧密地沿着圆柱形磁铁的外缘、第一空心圆柱形磁铁的内、外缘至第N空心圆柱形磁铁的内、外缘分布。圆柱形磁铁和空心圆柱形磁铁边缘处的水平磁场与垂直磁场比值最大，将环形子线圈设置在此处，一方面能够最大程度地减轻垂直磁场对环形子线圈的影响。另一方面，利用此处的水平磁场为环形子线圈提供偏置磁场，作为换能器的激发垂直力源，增大S0模态兰姆波的换能效率和纯度。

本发明所述的全指向型S0模态兰姆波电磁超声换能器，通过设计第一环形子线圈的内半径、环形子线圈的宽度和相邻的两个环形子线圈的最小间距，有效地增大了自身激发的S0模态兰姆波的幅值，并使得选定工作点下的A0模态兰姆波和A1模态兰姆波的波数的傅里叶分解幅值达到最小，进而使所述换能器对于A0模态兰姆波和A1模态兰姆波具有较强的激发抑制能力和接收抑制能力。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明所述的全指向型S0模态兰姆波电磁超声换能器进行更详细的描述，其中：

图1为实施例所述的全指向型S0模态兰姆波电磁超声换能器的剖面图；

图2为实施例提及的兰姆波的群速度频散曲线图，其中S0～S3和A0～A3均为兰姆波的模态，N为选定的换能器工作点；

图3为实施例提及的1.90MHz·mm频厚积下的S0模态兰姆波的波结构曲线图，其中，实线为面内振幅，虚线为面外振幅；

图4为实施例提及的1.90MHz·mm频厚积下的A0模态兰姆波的波结构曲线图，其中，实线为面内振幅，虚线为面外振幅；

图5为实施例提及的1.90MHz·mm频厚积下的A1模态兰姆波的波结构曲线图，其中，实线为面内振幅，虚线为面外振幅；

图6为实施例提及的信号G1与信号G2的卷积示意图；

图7为实施例提及的F_{S0_A0_A1_max}随R1的变化曲线图；

图8为实施例提及的F_{S0_A0_A1_max}随D的变化曲线图；

图9为实施例提及的F_A0、F_S0和F_A1随频率变化的归一化曲线图；

图10为实施例提及的F1_{S0_A0}、F1_{S0_A1}和F1_{S0_A0_A1}随频率变化的曲线图；

图11为实施例提及的A0、S0和A1模态兰姆波波数对应的傅里叶分解幅值随线圈宽度的变化曲线图；

图12为F2_{S0_A1}随线圈宽度的变化曲线图；

图13为实施例提及的完整的线圈施加力源模型的F-f曲线图；

图14为实施例提及的加入磁场数据的线圈施加力源模型的F-f曲线图；

图15为实施例所设计的全指向型S0模态兰姆波电磁超声换能器的接收波形图；

图16为实施例提及的现有S0模态兰姆波电磁超声换能器的接收波形图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明所述的全指向型S0模态兰姆波电磁超声换能器作进一步说明。

实施例：下面结合图1至图16详细地说明本实施例。

参照图1，本实施例所述的全指向型S0模态兰姆波电磁超声换能器包括壳体1、背板2、圆柱形磁铁3、空心圆柱形磁铁4和激发线圈；

圆柱形磁铁3与空心圆柱形磁铁4等高，空心圆柱形磁铁4的端面为环形；

壳体1的一端开口，圆柱形磁铁3和空心圆柱形磁铁4均通过背板2竖直、同轴且同形心地设置在壳体1的内部，圆柱形磁铁3位于空心圆柱形磁铁4的内部，圆柱形磁铁3远离背板2的一端与壳体1的开口端平齐，圆柱形磁铁3与空心圆柱形磁铁4极性相反设置；

激发线圈包括第一环形子线圈5～第三环形子线圈7，第一环形子线圈5～第三环形子线圈7同形心地设置在壳体1的开口端上，并分别紧密地沿着圆柱形磁铁3的外缘以及空心圆柱形磁铁4的内、外缘分布，相邻的两个环形子线圈通过导线相连，圆柱形磁铁3与第一环形子线圈5同轴设置；

第一环形子线圈5～第三环形子线圈7的宽度相等；

第一环形子线圈5与第二环形子线圈6的绕制方向相反，第二环形子线圈6与第三环形子线圈7的绕制方向相同；

R₁、W和d是通过以下步骤确定的；

其中，R₁为第一环形子线圈5的内半径，W为环形子线圈的宽度，d为相邻的两个环形子线圈的最小间距；

步骤一、在1.80MHz·mm～2.00MHz·mm频厚积范围内，初步选定所述电磁超声换能器的工作点；

步骤二、设定D＝0.5λ1，在(0,2λ]内初步选定R1，使得F1_{S0_A0_A1_max}达到最大；

在(0.25λ1,0.75λ1]内初步选定D，使得F1_{S0_A0_A1_max}达到最大；

其中，D为相邻两个环形子线圈的中心间距，D＝d+W；

λ1为初步选定工作点下的S0模态兰姆波的波长；

R1为第一环形子线圈5的中心半径，R1＝R₁+W/2；

F1_{S0_A0_A1_max}为1.80MHz·mm～2.00MHz·mm频厚积范围内的F1_{S0_A0_A1}的最大值；

F1_{S0_A0_A1}为激发的S0模态兰姆波对A0和A1模态兰姆波的抑制能力；

F1_{S0_A0_A1}＝2F1_S0/F1_{S0_max+}(2F1_S0-F1_A1-F1_A0)/F1_S0，F1_A0、F1_S0和F1_A1分别为不同激发频率下的A0、S0和A1模态兰姆波的波数对应的傅里叶分解幅值，F1_{S0_max}为1.80MHz·mm～2.00MHz·mm频厚积范围内的激发S0模态兰姆波的波数对应的傅里叶分解幅值的最大值；

步骤三、假定磁场均一，在(0,D]内初步选定W，使得F2_{S0_A1_max}达到最大；

其中，F2_{S0_A1_max}为1.9MHz·mm频厚积下的F2_{S0_A1}的最大值；

F2_{S0_A1}为激发的S0模态兰姆波对A1模态兰姆波的抑制能力；

F2_{S0_A1}＝F2_S0/F2_{S0_max+}(F2_S0-F2_A1)/F2_S0，F2_S0和F2_A1分别为1.90MHz·mm频厚积下、不同线圈宽度下的激发S0和A1模态兰姆波的波数对应的傅里叶分解幅值；

F2_{S0_max}为1.90MHz·mm频厚积下、线圈宽度在(0，D]内的激发S0模态兰姆波的波数对应的傅里叶分解幅值的最大值；

步骤四、根据初步选定的R1、D和W，确定圆柱形磁铁和空心圆柱形磁铁的尺寸，导入磁场数据，重新计算力源，再次进行傅里叶分解，调节并确定R1、D和W，以弥补水平磁感应强度在空间中存在的梯度，并使F1_{S0_A0_A1_max}达到最大；

根据确定的R1、D和W，确定R₁和d。

本实施例的壳体1的材质为铝合金。

本实施例的圆柱形磁铁3和空心圆柱形磁铁4均为钕铁硼磁铁。

本实施例的圆柱形磁铁3与空心圆柱形磁铁4的间隙设置有灌封胶8，激发线圈通过灌封胶8固设在壳体1的开口端上，灌封胶8为环氧树脂。

本实施例还给出了所述全指向型S0模态兰姆波电磁超声换能器的具体设计方案：

一、选定换能器的工作点：

根据兰姆波的激发方程，获得兰姆波的群速度频散曲线，如图2所示。根据S0模态兰姆波的群速度频散曲线可知：在1.80MHz·mm～2.00MHz·mm的频厚积范围内，兰姆波的群速度对频厚积的变化较敏感。当频厚积超过2.00MHz·mm时，S0模态兰姆波经过深度变化较大的缺陷时，其模态转化严重，无法用于层析成像。因此，本实施例在1.80MHz·mm～2.00MHz·mm的频厚积范围内选择换能器的工作点，本实施例选定的工作点为1.90MHz·mm。

以厚度为2mm的铝板为例，所述换能器的激发频率为0.950MHz，该工作点下激发的S0模态兰姆波的波长λ1为5.19mm。根据图2可知：在该工作点下，S0模态兰姆波的群速度最快，经过缺陷后S0模态兰姆波的群速度变大。因此，S0模态兰姆波总是第一个到达接收探头，在传播时间上易于区分。

二、设计换能器结构：

本实施例选择全指向型螺旋线圈作为激发线圈，激发兰姆波。1.90MHz·mm频厚积下的A1模态兰姆波、S0模态兰姆波和A1模态兰姆波的波结构曲线分别如图3、图4和图5所示。根据图3～图5可知：在铝板表面处，S0模态兰姆波的面外振幅比例较高。与此同时，为了便于设计，本实施例选择垂直力源激发，而产生垂直力源需要水平磁场。因此，本实施例所述的全指向型S0模态兰姆波电磁超声换能器采用由一个圆柱形磁铁和N个空心圆柱形磁铁构成的组合磁铁结构，N≥1。本实施例的环形子线圈布置在圆柱形磁铁和空心圆柱形磁铁的边缘位置，此处的水平磁场较强，利用此处的水平磁场为涡流提供偏置磁场。

三、激发线圈参数的初步设计：

本实施例选择全指向型螺旋线圈激发兰姆波。为了简化设计，假定磁场强度均一，则每一点处磁场与感应涡流作用产生的力源大小相等，对力源进行归一化处理，同时让每匝环形子线圈的宽度相等。以两个环形子线圈为例，两个环形子线圈施加的力源模型G可以表示为力源方向垂直铝板竖直向上时为1，竖直向下时为-1，此时力源模型G可以等效为两个信号的卷积。这两个信号分别为代表力源宽度的信号G2和代表力源空间间距的信号G1。空间域的卷积对应波数域的相乘，则环形子线圈的宽度和空间间距可以独立设计。信号G1与信号G2的卷积示意图如图6所示。

设计信号G1：对信号G1进行傅里叶分解，得到的傅里叶分解结果为一个个同心圆，取其径向的傅里叶分解幅值曲线。选定的换能器工作点下有A0、S0和A1模态的兰姆波，A0、S0和A1模态兰姆波的波长分别为2.82mm、5.19mm和10.68mm，每个波长对应一个波数，每个波数都有其对应的傅里叶分解幅值。为了得到较为单一的S0模态兰姆波，需要尽可能地抑制A0和A1模态兰姆波，即在选定的换能器工作点下，让S0模态兰姆波对应的傅里叶分解幅值较大，A0和A1模态兰姆波对应的傅里叶分解幅值较小。想要达到这一目的，首先，要保证S0模态兰姆波的幅值较大。初步设定本实施例的两个环形子线圈的中心间距D＝0.5λ1，两个环形子线圈的最小间距d＝0.5λ1-W，第一环形子线圈和第二环形子线圈发射的S0模态兰姆波发生相长干涉。改变线圈的绕制方向，使第一环形子线圈与第二环形子线圈施加的力源方向相反，改变第一环形子线圈的中心半径R1＝R₁+W/2，使其从小到大变化，选取S0模态兰姆波对应的傅里叶分解幅值较大且A0和A1模态兰姆波对应的傅里叶分解幅值较小的点。

为了便于判断，给出计算公式:

F1_{S0_A0_A1}＝F1_{S0_A0}+F1_{S0_A1} (3)

其中，F1_{S0_max}为1.80MHz·mm～2.00MHz·mm频厚积范围内的激发S0模态兰姆波的波数对应的傅里叶分解幅值的最大值，F1_A0、F1_S0和F1_A1分别为不同激发频率下的A0、S0和A1模态兰姆波的波数对应的傅里叶分解幅值，F1_{S0_A0_A1}为激发的S0模态兰姆波对A0和A1模态兰姆波的抑制能力，F1_{S0_A0}为激发的S0模态兰姆波对A0模态兰姆波的抑制能力，F_{S0_A1}为激发的S0模态兰姆波对A1模态兰姆波的抑制能力；

F_{S0_A0}、F_{S0_A1}和F_{S0_A0_A1}的数值越大，表明抑制能力越强；

F1_{S0_A0_A1}＝2F1_S0/F1_{S0_max}+(2F1_S0-F1_A1-F1_A0)/F1_S；

F1_{S0_A0_A1_max}为1.80MHz·mm～2.00MHz·mm频厚积范围内的F1_{S0_A0_A1}的最大值。

为了控制换能器的尺寸，R1不可太大，R1的上限为S0模态兰姆波的波长的两倍。作出F_{S0_A0_A1_max}随R1的变化曲线如图7所示。初步选定R1的值为5.8mm。其次，微调相邻环形子线圈的间距，在(0.25λ1,0.75λ1]范围内，作出F_{S0_A0_A1_max}随D的变化曲线如图8所示，初步确定D的值为2.6mm。在选定R1和D数值情况下，F_A0、F_S0和F_A1随频率变化的归一化曲线如图9所示，F_{S0_A0}、F_{S0_A1}和F_{S0_A0_A1}随频率的变化曲线如图10所示，可以较好地抑制A0和A1模态兰姆波。为了便于表示，将傅里叶分解幅值随频率的变化曲线定义为F-f曲线，F表示傅里叶分解的幅值，f表示激发频率。

设计信号G2：对信号G2进行二维傅里叶分解，相邻的两个环形子线圈的中心间距D，环形子线圈的宽度W最大为D，改变环形子线圈的宽度，从0～D变换，获得A0、S0和A1模态兰姆波波数对应的傅里叶分解幅值随线圈宽度变化的归一化曲线，如图11所示。根据图11可知：S0和A1模态兰姆波对应的傅里叶分解幅值随线圈宽度的增加而增大，其中，A1模态兰姆波对应幅值增加较快，A0模态兰姆波对应幅值先增加后减小。发现，线圈宽度为2.2mm时可以更好的抑制A0模态兰姆波，0～2.2mm之间线圈宽度越大A0的抑制效果越好，但是A1的抑制效果较差，由于设计G1时A0模态兰姆波已经被抑制的比较小，这里不再考虑A0的抑制，将综合考虑S0模态兰姆波的幅值与A1模态兰姆波的抑制能力设计线圈宽度，为了便于判断，给出计算公式:

其中，F2_{S0_max}为频厚积1.90MHz·mm时线圈宽度在(0，0.5λ]内范围内S0模态兰姆波波数对应的傅里叶分解幅值的最大值；F2_S0、F2_A1分别为频厚积1.90MHz·mm时S0和A1模态兰姆波不同线圈宽度对应波数的傅里叶分解幅值；F2_{S0_A1}为衡量S0模态兰姆波幅值和A1模态兰姆波的抑制能力的指标。F2_{S0_A1}数值越大效果最好。F2_{S0_A1}随线圈宽度变化的曲线如图12所示，初步选定线圈宽度为1.5mm，对此线圈施加的力源进行傅里叶分解，获得完整的线圈施加力源模型的F-f曲线，如图13所示，A0模态兰姆波被进一步抑制，A1模态兰姆波的抑制效果减弱。

设计换能器磁铁结构和参数：

本实施例采用圆柱形磁铁和空心圆柱形磁铁的磁铁组合结构产生水平磁场，根据以上设计的线圈选取市场上常见的磁铁规格尺寸，选取磁铁参数如下：圆柱形磁铁的直径D1为10mm、高度h1为15mm，空心圆柱形磁铁内径D2为18mm、外径D3为23mm、高度15mm。

加入磁场数据微调线圈参数：

建立磁场有限元仿真模型，提取磁铁底部径向的水平磁场强度数据。对磁场进行了归一化处理，此时加入磁场数据，对力源重新进行傅里叶分解，获得加入磁场数据的线圈施加力源模型的F-f曲线，如图14所示，此处已经处在最佳抑制点，无需再进行微调，根据图14，将激发频率调整至A0和A1模态兰姆波的最佳抑制频率，此时激发频率调整至0.938MHz。根据R1、D和W，得到R₁的值为5.05mm，d的值为1.1mm。

由设计的磁铁及线圈参数制作及组装换能器，首先对换能器进行静态测试，换能器采用一发一收形式，其接收波形如图15所示，可以观察到一个完整的波形包络，与现有的S0模态兰姆波电磁超声换能器的接收波形相比，如图16所示，本实施例设计的全指向型S0模态兰姆波电磁超声换能器能够有效地抑制A0和A1模态兰姆波。

本实施例采用傅里叶分解的方式，将线圈分布与线圈宽度分开设计，使得S0模态兰姆波相长干涉，且幅值较大，同时A0和A1模态兰姆波发生相消干涉，进而提高所述电磁超声换能器的模式单一性。如此设计简化了设计过程，而且可以有针对性的削弱A0和A1模态兰姆波，同时改变传统的利用垂直磁场激发面内振幅的方式，可以减小子线圈的个数，从而减小换能器体积，当然子线圈个数较多时性能更优。

本实施例提及的具体设计方案，假定磁场强度均一，则线圈对应铝板位置处产生的力相同，R1和W均由对力源分布的二维傅里叶分解得到初步的数值，此外当线圈空间周期个数较少时，在确定R1的值之后还需要对D进行微调。然后，根据实际磁场分布微调线圈参数R1、D和W。使得设计的线圈满足S0模态兰姆波相长干涉，即对应的傅里叶分解幅值比较大，A0和A1模态兰姆波相消干涉，即对应的傅里叶分解幅值尽可能的小，从而仅对S0模态进行高效地发射和接收，对其他模态兰姆波能够有效抑制。

所述线圈施加力源的二维傅里叶分解满足S0模态兰姆波相长干涉，A0和A1模态兰姆波相消干涉，考虑到不同的子线圈个数会使得A0和A1模态兰姆波对应的傅里叶分解值有一定差别，可根据需要选取最优的子线圈个数。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (5)

1.一种全指向型S0模态兰姆波电磁超声换能器，所述电磁超声换能器包括壳体、背板、圆柱形磁铁、第一空心圆柱形磁铁～第N空心圆柱形磁铁和激发线圈；

圆柱形磁铁与第一空心圆柱形磁铁～第N空心圆柱形磁铁等高，第一空心圆柱形磁铁～第N空心圆柱形磁铁的端面均为环形，所述环形的环宽相等且内径依次等差增大；

壳体的一端开口，圆柱形磁铁与第一空心圆柱形磁铁～第N空心圆柱形磁铁均通过背板竖直、同轴且同形心地设置在壳体的内部，圆柱形磁铁位于第一空心圆柱形磁铁的内部，圆柱形磁铁远离背板的一端与壳体的开口端平齐，圆柱形磁铁与第一空心圆柱形磁铁极性相反设置，相邻的两个空心圆柱形磁铁极性相反设置；

激发线圈包括第一环形子线圈～第2N+1环形子线圈，第一环形子线圈～第2N+1环形子线圈同形心地设置在壳体的开口端上，并分别紧密地沿着圆柱形磁铁的外缘、第一空心圆柱形磁铁的内、外缘至第N空心圆柱形磁铁的内、外缘分布，相邻的两个环形子线圈通过导线相连，圆柱形磁铁与第一环形子线圈同轴设置；

第一环形子线圈～第2N+1环形子线圈的宽度相等；

分布在同一空心圆柱形磁铁内、外缘的两个环形子线圈同向绕制；

分布在相邻的两个空心圆柱形磁铁内缘的两个环形子线圈反向绕制；

分布在圆柱形磁铁外缘和第一空心圆柱形磁铁内缘的两个环形子线圈反向绕制；

其特征在于，R₁、W和d是通过以下步骤确定的；

其中，R₁为第一环形子线圈的内半径，W为环形子线圈的宽度，d为相邻的两个环形子线圈的最小间距；

步骤一、在1.80MHz·mm～2.00MHz·mm频厚积范围内，初步选定所述电磁超声换能器的工作点；

步骤二、设定D＝0.5λ1，在(0,2λ]内初步选定R1，使得F1_{S0_A0_A1_max}达到最大；

在(0.25λ1,0.75λ1]内初步选定D，使得F1_{S0_A0_A1_max}达到最大；

其中，D为相邻两个环形子线圈的中心间距，D＝d+W；

λ1为初步选定工作点下的S0模态兰姆波的波长；

R1为第一环形子线圈的中心半径，R1＝R₁+W/2；

F1_{S0_A0_A1_max}为1.80MHz·mm～2.00MHz·mm频厚积范围内的F1_{S0_A0_A1}的最大值；

F1_{S0_A0_A1}为激发的S0模态兰姆波对A0和A1模态兰姆波的抑制能力；

F1_{S0_A0_A1}＝2F1_S0/F1_{S0_max+}(2F1_S0-F1_A1-F1_A0)/F1_S0，F1_A0、F1_S0和F1_A1分别为不同激发频率下的A0、S0和A1模态兰姆波的波数对应的傅里叶分解幅值，F1_{S0_max}为1.80MHz·mm～2.00MHz·mm频厚积范围内的激发S0模态兰姆波的波数对应的傅里叶分解幅值的最大值；

步骤三、假定磁场均一，在(0,D]内初步选定W，使得F2_{S0_A1_max}达到最大；

其中，F2_{S0_A1_max}为1.9MHz·mm频厚积下的F2_{S0_A1}的最大值；

F2_{S0_A1}为激发的S0模态兰姆波对A1模态兰姆波的抑制能力；

F2_{S0_A1}＝F2_S0/F2_{S0_max+}(F2_S0-F2_A1)/F2_S0，F2_S0和F2_A1分别为1.90MHz·mm频厚积下、不同线圈宽度下的激发S0和A1模态兰姆波的波数对应的傅里叶分解幅值；

F2_{S0_max}为1.90MHz·mm频厚积下、线圈宽度在(0，D]内的激发S0模态兰姆波的波数对应的傅里叶分解幅值的最大值；

步骤四、根据初步选定的R1、D和W，确定圆柱形磁铁和空心圆柱形磁铁的尺寸，导入磁场数据，重新计算力源，再次进行傅里叶分解，调节并确定R1、D和W，以弥补水平磁感应强度在空间中存在的梯度，并使F1_{S0_A0_A1_max}达到最大；

根据确定的R1、D和W，确定R₁和d。

2.如权利要求1所述的全指向型S0模态兰姆波电磁超声换能器，其特征在于，圆柱形磁铁和第一空心圆柱形磁铁～第N空心圆柱形磁铁均为钕铁硼磁铁。

3.如权利要求1所述的全指向型S0模态兰姆波电磁超声换能器，其特征在于，壳体的材质为铝合金。

4.如权利要求1所述的全指向型S0模态兰姆波电磁超声换能器，其特征在于，圆柱形磁铁与第一空心圆柱形磁铁的间隙和相邻的两个空心圆柱形磁铁的间隙设置有灌封胶，激发线圈通过灌封胶固设在壳体的开口端上。

5.如权利要求1所述的全指向型S0模态兰姆波电磁超声换能器，其特征在于，灌封胶为环氧树脂。