CN110548664B - 一种变模态磁集中器式兰姆波电磁声换能器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变模态式磁集中器式兰姆波电磁声换能器，该换能器包括钕铁硼磁铁，A类磁集中器，B类磁集中器，柔性电路板中的双层变间距回折线圈。将线圈放置在铝板表面，磁集中器与的上表面与钕铁硼磁铁吸合后固定在线圈正上方，当选用A类磁集中器时，控制磁集中器下表面放置在线圈中心距为d1的线圈上，则可激励主模态为A0模态的导波；当选用B类磁集中器时，控制磁集中器下表面放置在线圈中心距为d2的线圈上，则可激励主模态为S0模态的导波。通过频率特性测试验证了所研制的变模态磁集中器式兰姆波电磁声换能器具有较好的频率响应特性，同时验证了换能器设计的合理性，实现对板结构的结构健康监测。

Description

一种变模态磁集中器式兰姆波电磁声换能器
技术领域
本发明为一种变模态磁集中器式兰姆波电磁声换能器，属于超声无损检测领域，可在不更换线圈、磁铁和激励频率等一系列参数，仅更换不同的磁集中器的情况下，从而在板结构中激励出不同模态的导波。
背景技术
金属板材结构被广泛的应用于航空航天、土木、机械等多个领域。在生产和使用过程中，金属板结构不可避免会产生损伤，大大降低材料的使用寿命。为了保证金属板结构使用的安全性，有必要对金属板进行无损检测。在传统超声检测技术中，压电超声技术是传统超声检测技术的重要组成部分，且在超声检测技术发展初期应用十分广泛，但压电超声技术由于其对试件的要求较高，需要的预处理技术较为复杂以及需要耦合剂等缺点大大增加了检测的成本、复杂程度以及局限性。电磁超声无损检测技术作为一种新型的无损检测技术，利用电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer，EMAT)进行无损检测时，无需耦合剂，适用范围广，可以对试件进行非接触式检测和在线监测。
目前,多采用EMAT激励最低阶Lamb波和SH波，包括A0、S0和SH0模态。对板结构进行检测和成像，A0模态EMAT低频段A0模态主要以离面位移为主,使用磁致伸缩效应难以产生垂直于板表面的磁致伸缩力,因此,目前研制的A0模态EMAT都是基于洛伦兹力机理。Guo等利用回折线圈和提供垂直磁场的永磁体，在铝板中激励出具有指向性的单一A0模态，并实现了铝板中的凹槽缺陷的检测。S0模态EMAT方面目前，全向型S0模态EMAT得到了较多的关注与研究，Wilcox等建立了板中全向型EMAT理论模型，利用环状紧凑缠绕的螺旋线圈线圈基于洛伦兹力机理，设计制作出可以有效地激励出在360°方向范围内具有相同的指向性的S0模态EMAT，但该换能器无法实现单一模态的激励。目前，能在板中同时激励出单一S0模态与单一A0模态兰姆波电磁声换能器鲜见报道。
发明内容
本发明旨在设计一种变模态磁集中器式兰姆波电磁声换能器，即在传统的电磁声换能器的基础上加入变模态磁集中器，从而改变与线圈接触部分的静磁场的中心距，从而改变所产生的洛伦兹力的中心距，从而改变产生信号的波长，进而改变所激励出的信号中的模态所占比重。利用这种变模态磁集中器式兰姆波电磁声换能器，能在不更换线圈、磁铁和激励频率等一系列参数，仅更换不同的磁集中器的情况下，从而改变在板结构中激励出不同模态的导波，可用于实现对板结构的结构健康监测。
为了实现上述目的，本发明采用如下设计方案：
一种变模态磁集中器式兰姆波电磁声换能器，包括钕铁硼磁铁1，A类磁集中器2，B类磁集中器3，柔性电路板中的双层变间距回折线圈4。其特征在于：钕铁硼磁铁1为长方体磁铁，磁铁的下表面与磁集中器的上表面吸合；A类磁集中器2的跟B类磁集中器3，材料定义为铁氧体，两个磁集中器外形基本上一致，上部分都是长方体，下部分由两个长方体构成，不同之处在于下部分两个长方体之间的距离不同；柔性电路板中的双层变间距回折线圈4放置在铝板表面，将A类磁集中器2和钕铁硼磁铁固定在线圈4正上方，并调整A类磁集中器2的底面与线圈的相对位置，则可激励出A0模态的导波；柔性电路板中的双层变间距回折线圈4放置在铝板表面，将B类磁集中器3和钕铁硼磁铁固定在线圈4正上方，并调整B类磁集中器2的底面与线圈的相对位置，则可激励出S0模态的导波。
所述的变模态磁集中器式兰姆波电磁声换能器，其特征在于：钕铁硼磁铁1为长方体，沿磁铁所在高的方向极化，使磁场线沿磁铁高的方向(顺时针或逆时针)方向传递。
所述的变模态磁集中器式兰姆波电磁声换能器，其特征在于：A类磁集中器3的材料为铁氧体，上部分的长方体的长和宽分别与长方体钕铁硼磁铁的长和宽相等，下部分的两个长方体之间的中心距与线圈4中的线圈间距l4相等；磁集中器3的顶面与钕铁硼磁铁1的底面相吸合，在加入磁集中器后，通过磁集中器对磁场的引导和集中作用，从而能激励出主模态为A0模态的导波。
所述的变模态磁集中器式兰姆波电磁声换能器，其特征在于：B类磁集中器4的材料为铁氧体，上部分的长方体的长和宽分别与长方体钕铁硼磁铁的长和宽相等，下部分的两个长方体之间的中心距与线圈4中的线圈间距l7相等；磁集中器3的顶面与钕铁硼磁铁1的底面相吸合，在加入磁集中器后，通过磁集中器对磁场的引导和集中作用，从而能激励出主模态为S0模态的导波。
所述的变模态磁集中器式兰姆波电磁声换能器，其特征在于：柔性电路板中的双层变间距回折线圈4，采用双层布线方式，通过不同的磁集中器改变与线圈接触部分的磁场的中心距，从而改变产生信号的波长，进而改变所激励出的兰姆波的模态。
本发明可以获得如下有益效果：
1、在变模态磁集中器式兰姆波电磁声换能器中，长方体永磁铁提供静磁场，通过磁集中器对磁场进行引导和集中，线圈在被测试件中产生涡流，涡流与静磁场共同作用产生洛伦兹力，通过不同的磁集中器改变与线圈接触部分的磁场的中心距，从而改变产生信号的波长，进而改变所激励出的兰姆波的模态；
2、柔性电路板中的双层变间距回折线圈4中线圈间距d1为272kHz下满足相长干涉的A0模态的波长的一半，即对以d1为中心距的两根导线施加与导线所产生的涡流方向垂直的静磁场，就可以激励出满足相长干涉的A0模态；
3、柔性电路板中的双层变间距回折线圈4中线圈间距d2为272kHz下满足相长干涉的S0模态的波长的一半，即对以d2为中心距的两根导线施加与导线所产生的涡流方向垂直的静磁场，就可以激励出满足相长干涉的S0模态；
4、柔性电路板中的双层变间距回折线圈4，采用双层布线方式，提高换能器所激励出信号的幅值；
5、柔性电路板中的双层变间距回折线圈4设计的线圈间距为所激励波长的一半，换能器满足相长干涉的原理，从而提高了换能器所激励信号的幅值；
6、换能器声场指向性和频率响应特性较好。
附图说明
图1变模态磁集中器式兰姆波电磁声换能器分解示意图，a)激励模态为A0时换能器结构示意图，b)激励模态为A0时换能器结构示意图；
图2铷铁硼磁铁示意图；
图3为A类磁集中器示意图：a)A类磁集中器主视图，b)A类磁集中器俯视图；
图4为B类磁集中器示意图：a)B类磁集中器主视图，b)B类磁集中器俯视图；
图5柔性电路板中的双层变间距回折线圈示意图；
图6中的a)和b)分别为1mm厚铝板的超声导波群速度与相速度频散曲线；
图7变模态磁集中器式兰姆波电磁声换能器实验系统示意图；
图8传电磁声换能器实验系统示意图；
图9传统电磁声换能器在激励频率为272kHz时的接收信号；
图10变模态磁集中器式兰姆波电磁声换能器使用A类磁集中器在激励频率为272kHz时的接收信号；
图11变模态磁集中器式兰姆波电磁声换能器使用B类磁集中器在激励频率为272kHz时的接收信号；
图12变模态磁集中器式兰姆波电磁声换能器使用A类磁集中器时的率响应特性；
图13变模态磁集中器式兰姆波电磁声换能器使用B类磁集中器时的率响应特性；
图14变模态磁集中器式兰姆波电磁声换能器指向性实验的换能器布置示意图；
图15变模态磁集中器式兰姆波电磁声换能器的声场指向性使用A类磁集中器时的声场指向性；
图16变模态磁集中器式兰姆波电磁声换能器的声场指向性使用B类磁集中器时的声场指向性；
图中：1、钕铁硼磁铁，2、A类磁集中器，3、B类磁集中器，4、柔性电路板中的双层变间距回折线圈，5、高能脉冲激励接收装置RPR4000，6、数字示波器，7、激励端阻抗匹配模块，8、接收端阻抗匹配模块，8、变模态磁集中器式兰姆波电磁声激励换能器，9、变模态磁集中器式兰姆波电磁声接收换能器，10、铝板，11、传统电磁声激励换能器，12、传统电磁声接收换能器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
基于洛伦兹力效应，设计了一种变模态磁集中器式电磁声换能器，利用该换能器在铝板上激励出模态单一的A0模态导波S0模态导波。
变模态磁集中器式兰姆波电磁声换能器结构示意图如图1所示，其中a)激励模态为A0时换能器结构示意图，b)激励模态为A0时换能器结构示意图；包括钕铁硼磁铁1，A类磁集中器2，B类磁集中器3，柔性电路板中的双层变间距回折线圈4。检测对象为铝板，规格为1000×1000×1(单位：mm)。图6为上述铝板的超声导波群速度和相速度频散曲线。根据上述原理选取线圈中心距10mm，即信号波长20mm，在图6b)中，斜率即为波长，因此画一条斜率为20的直线，观察与S0模态的交点，该点的横坐标即为S0模态满足相长干涉，即激励信号的主模态为S0模态的理论中心频率，通过该理论中心频率在6a)中观察该模态的理论群速度vg，从而用于时间飞行法的计算，通过上述波长设计特定双层变间距回折线圈与磁集中器从而激励出S0模态。在上述与S0模态的交点处做与x轴的垂线，即保证理论中心频率不变，同时观察其与A0模态的交点，该交点与坐标原点相连的直线的斜率即为在不改变激励频率的前提下将S0模态转变为A0模态所需要的波长，通过这个波长设计特定的双层变间距回折线圈与磁集中器从而将S0模态转化为A0模态。
所述的钕铁硼磁铁如图2所示，长方体磁体的长l1＝25mm，高l2＝25mm，高h1＝15mm。
所述的A类磁集中器如图3所示，其中a)为磁集中器的主视图，b)为俯视图，磁集中器的上部分为长方体，长宽相等，l3＝l6＝25mm，高h2＝4.5mm，下部分为两个长宽高均相等的长方体，长l5＝3mm，高h3＝5mm，两长方体中心距l4＝4.5mm。
所述的B类磁集中器如图3所示，其中a)为磁集中器的主视图，b)为俯视图，A类磁集中器与B类磁集中器除下部分两长方体中心距不一样外，其他尺寸完全一致。B类磁集中器下部分两长方体中心距l7＝10mm。
所述的柔性电路板中的双层变间距回折线圈4如图5所示，导线宽度为0.2mm，采用矩形回折布线方式，双层布线。线圈中心距d1＝4.5mm，d2＝10mm，通过设计不同的磁集中器从而选取线圈的各个中心距不同的部分，可以在不更换线圈、磁铁和激励频率等一系列参数的情况下，仅更换不同的磁集中器从而改变信号的模态。
实验系统如图6所示，包括高能脉冲激励接收装置RPR40004，数字示波器5，激励端阻抗匹配模块6，接收端阻抗匹配模块7，激励换能器8，接收换能器9，铝板10。RPR40004能够产生高能激励信号，数字示波器5用于信号的观测和存储；阻抗匹配模块6、7的作用是使换能器线圈获取最大能量，提高换能器换能效率。
其特征在于：钕铁硼磁铁1为长方体磁铁，磁铁的下表面与磁集中器的上表面吸合；A类磁集中器2的跟B类磁集中器3，材料定义为铁氧体，两个磁集中器外形基本上一致，上部分都是长方体，下部分由两个长方体构成，不同之处在于下部分两个长方体之间的距离不同；柔性电路板中的双层变间距回折线圈4放置在铝板表面，将A类磁集中器2和钕铁硼磁铁固定在线圈4正上方，并调整A类磁集中器2的底面与线圈的相对位置，则可激励出A0模态的导波；柔性电路板中的双层变间距回折线圈4放置在铝板表面，将B类磁集中器3和钕铁硼磁铁固定在线圈4正上方，并调整B类磁集中器2的底面与线圈的相对位置，则可激励出S0模态的导波。
实验系统如图7所示，包括高能脉冲激励接收装置RPR40005，数字示波器6，激励端阻抗匹配模块7，接收端阻抗匹配模块8，变模态磁集中器式电磁声激励换能器9，变模态磁集中器式电磁声接收换能器10，铝板11。RPR40005能够产生高能激励信号，数字示波器6用于信号的观测和存储；阻抗匹配模块7、8的作用是使换能器线圈获取最大能量，提高换能器换能效率。
1)模态测试
为了验证变模态磁集中器式电磁声换能器的可行性，对其进行模态测试实验。实验系统示意图如图7和图8所示，其中，图7为变模态磁集中器式电磁声换能器实验系统示意图，图8为传统的电磁声换能器实验系统示意图，两套系统除选用的激励与接收换能器不同，其他条件均相同，激励换能器距离铝板左端面325mm，激励换能器与接收换能器的间距为200mm，接收换能器距离铝板右端面475mm，激励换能器与接收换能器在同一水平线上且距离铝板后端面300mm。实验中激励信号为汉宁窗调制的五周期正弦波，激励频率为272kHz，采用一激一收的实验方式。采用传统电磁声换能器、变模态A类磁集中器式兰姆波电磁声换能器和变模态B类磁集中器式兰姆波电磁声换能器分别采集其直达波信号，如图9、10和11所示。其中波包14、17、19与激励信号时间几乎一致，预测为串扰信号。利用时间飞行法计算各波包波速，计算可得在图9的波包15和图11中的波包20波速为5483m/s，与频率272kHz的S0模态的理论群速度5421m/s十分接近，相对误差为1.1％，在图9中波包16和在图10中波包18的波速均为2500m/s，与频率272kHz的A0模态的理论群速度2539m/s十分接近，相对误差为1.5％，因此可以确定图9中的波包15和16分别为S0模态和A0模态，图10中的波包18为A0模态，图11中的波包20为S0模态。由图9、10、11中的结果对比可以看出，在传统电磁声换能器中，换能器所激励出的信号包含S0模态和A0模态，且A0模态的幅值较高，占直达波总幅值的90％。而在传统电磁声换能器的基础上，加入A类磁集中器也就是激励的主模态为A0模态的磁集中器后，变模态A类磁集中器式兰姆波电磁声换能器所激励出的直达波信号中的主要成分变为A0模态，同理，在加入B类磁集中器也就是激励的主模态为S0模态的磁集中器后，变模态B类磁集中器式兰姆波电磁声换能器所激励出的直达波信号中主要成分变为S0模态。因此，在传统电磁声换能器的基础上加入变模态磁集中器可以改变所激励信号的各个模态成分从而达到对换能器模态的控制作用。
2)频率响应特性测试
对上述两种换能器分别进行频率扫查实验，实验系统示意图如图7所示，其中激励换能器距离铝板左端面325mm，激励换能器与接收换能器的间距为200mm，接收换能器距离铝板右端面475mm，激励换能器与接收换能器在同一水平线上且距离铝板后端面300mm。实验中激励信号为汉宁窗调制的五周期正弦波，实验中频率扫查实验的起始频率为172kHz，以10kHz为步长增长到372kHz，采用一激一收的实验方式，观察其信号幅值并做归一化处理，换能器的频率响应特性如图12和13所示。
变模态A类磁集中器式兰姆波电磁声换能器的频率响应特性如图12所示，在图12中，圆圈为实验所采集到的各个频率下的直达波信号的归一化幅值，曲线为一系列归一化幅值的一阶高斯拟合，由一阶高斯拟合曲线可得，变模态A类磁集中器式兰姆波电磁声换能器的实际中心频率为270kHz，与理论中心频率272kHz十分接近，相对误差为0.7％。同理可得，在图13中，变模态B类磁集中器式兰姆波电磁声换能器的实际中心频率为268kHz，与理论中心频率272kHz十分接近，相对误差为1％。因此，所研制的变模态磁集中器式兰姆波电磁声换能器具有较好的频率响应特性，同时验证了换能器设计的合理性。
3)声场指向性测试
为了验证变模态磁集中器式兰姆波电磁声换能器的声场指向性是否良好，因此对其进行声场指向性实验，声场指向性实验的换能器布置图如图14所示，以激励换能器为圆心200mm为半径的半圆上均匀摆放着接收换能器，接收换能器的摆放规则为：从0°开始以5°为步长到180°均匀摆放，即每隔5°，摆放一次接收换能器，实验中激励信号为汉宁窗调制的五周期正弦波，激励频率为272kHz，采用一激一收的实验方式，提取各个角度下接收换能器接收到的信号幅值，并做归一化处理从而观察变模态磁集中器式兰姆波电磁声换能器的声场指向性，采用A类磁集中器与B类磁集中器分别如图15和16所示，其中圆圈为实验所采集到的各个角度下的信号的归一化幅值，同时将黑色圆圈连接形成蓝色折线。由图15和16可以看出，变模态磁集中器式兰姆波电磁声换能器在75°到105°范围内有较高的归一化幅值，因此变模态磁集中器式兰姆波电磁声换能器的指向性较为良好。

Claims (4)

1.一种变模态磁集中器式兰姆波电磁声换能器，包括钕铁硼磁铁（1）、A类磁集中器（2）、B类磁集中器（3）、柔性电路板中的双层变间距回折线圈（4）；其特征在于：钕铁硼磁铁（1）为长方体磁铁，磁铁的下表面与磁集中器的上表面吸合；A类磁集中器（2）跟B类磁集中器（3），材料定义为铁氧体，两个磁集中器外形基本上一致，上部分都是长方体，下部分由两个长方体构成，不同之处在于下部分两个长方体之间的距离不同；柔性电路板中的双层变间距回折线圈（4）放置在铝板表面，将A类磁集中器（2）和钕铁硼磁铁固定在线圈（4）正上方，并调整A类磁集中器（2）的底面与线圈的相对位置，则可激励出A0模态的导波；柔性电路板中的双层变间距回折线圈（4）放置在铝板表面，将B类磁集中器（3）和钕铁硼磁铁固定在线圈（4）正上方，并调整B类磁集中器（2）的底面与线圈的相对位置，则激励出S0模态的导波；
在变模态磁集中器式兰姆波电磁声换能器中，长方体永磁铁提供静磁场，通过磁集中器对磁场进行引导和集中，线圈在被测试件中产生涡流，涡流与静磁场共同作用产生洛伦兹力，通过不同的磁集中器改变与线圈接触部分的磁场的中心距，从而改变产生信号的波长，进而改变所激励出的兰姆波的模态；
柔性电路板中的双层变间距回折线圈（4）中线圈间距d 1为272kHz下满足相长干涉的A0模态的波长的一半，即对以d 1为中心距的两根导线施加与导线所产生的涡流方向垂直的静磁场，就能够激励出满足相长干涉的A0模态。
2.如权利要求1所述的一种变模态磁集中器式兰姆波电磁声换能器，其特征在于：柔性电路板中的双层变间距回折线圈（4）中线圈间距d 2为272 kHz下满足相长干涉的S0模态的波长的一半，即对以d 2为中心距的两根导线施加与导线所产生的涡流方向垂直的静磁场，就能够激励出满足相长干涉的S0模态。
3.如权利要求1所述的变模态磁集中器式兰姆波电磁声换能器，其特征在于：柔性电路板中的双层变间距回折线圈（4），采用双层布线方式，提高换能器所激励出信号的幅值。
4.如权利要求3所述的一种变模态磁集中器式兰姆波电磁声换能器，其特征在于：柔性电路板中的双层变间距回折线圈（4）设计的线圈间距为所激励波长的一半，换能器满足相长干涉的原理，从而提高了换能器所激励信号的幅值。
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