CN114666705A - 一种基于换能器的保持声场指向性的方法 - Google Patents
一种基于换能器的保持声场指向性的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本申请实施例提供的一种基于换能器的保持声场指向性的方法，属于换能器技术领域，包括将阶梯形磁铁分为第一长方体磁铁部和截面面积小于第一长方体磁铁部的第二长方体磁铁部。将通电蝶形线圈的主瓣部分的宽、长度作为第一宽度、长度，第二长方体磁铁部的宽、长度设为第一宽度、长度与其2倍间的任意值。根据第二长方体磁铁部的长、宽度，得出其高度、第一长方体磁铁部的长、宽和高度的唯一值，使设定的提离距离范围内，工件表面的磁场分布均匀。根据第一宽度、长度和横波声场的指向性函数，获得声场指向性。将磁铁设为阶梯形，使在设定的提离距离范围内，工件表面的磁场分布均匀，根据横波声场的指向性函数，保持声场分布的清晰度。
Description
技术领域
本申请涉及换能器技术领域，尤其涉及一种基于换能器的保持声场指向性的方法。
背景技术
铁磁材料包括硅钢、钴钢、高碳钢、铁镍钴合金，铁磁材料制成的铁磁构件被广泛地应用于生产生活中，例如石油化工领域、船舶领域和建筑领域。铁磁构件的寿命及可靠性与铁磁构件的内部缺陷、损伤、微裂纹有关，通过压电超声检测的方式，对铁磁构件的内部缺陷、损伤、微裂纹进行检测，需要使用耦合剂，压电超声检测的检测结果也受耦合状态的影响，降低了检测的速度且在高温场合检测的准确率较低。
为了有效的检测出铁磁构件的内部缺陷、损伤以及微裂纹，现有技术采用电磁超声检测的方式对铁磁构件的内部缺陷、损伤以及微裂纹进行检测。如图1a所示，其中，A为磁铁，B为蝶形线圈，C为工件，D为提离距离，提离距离为蝶形线圈距离蝶形线圈下方的工件表面的距离，电磁换能器是电磁超声检测的重要元器件之一，利用洛伦兹力机理和磁致伸缩机理在工件中激发和接收超声波。电磁换能器包括长方形磁铁(用于提供外加磁场的永久磁铁或电磁铁)、蝶形线圈(用于产生激发磁场)和工件(检测对象)，其中，如图1b所示，长方体磁铁的北极为N，长方体磁铁的南极为S，长方体磁铁的宽度×长度×高度为w×v×h，如图1c所示，蝶形线圈分为中间的主瓣部分和两侧的旁瓣部分，其中，B1为主瓣部分，B2为旁瓣部分，主瓣部分宽度为2a，旁瓣部分宽度为a，主瓣部分长度为2b，主瓣部分中心距离旁瓣部分中心的间距为d。
然而，随着提离距离（蝶形线圈距离蝶形线圈下方的工件表面的距离）的增加，工件表面的磁场分布会发生变化，导致剪切应力分布不均，进而导致声场分布的清晰度降低，降低了确定铁磁构件的内部缺陷、损伤以及微裂纹的位置的准确性。
发明内容
本申请提供了一种基于换能器的保持声场指向性的方法，以解决的提离距离的增加，导致声场分布的清晰度降低，降低了确定铁磁构件的内部缺陷、损伤以及微裂纹的位置的准确性的技术问题。
为了解决上述技术问题，本申请实施例公开了如下技术方案：
第一方面，本申请实施例公开了一种基于换能器的保持声场指向性的方法，包括将阶梯形磁铁设于通电蝶形线圈的上方，将阶梯形磁铁的南极靠近通电蝶形线圈，将阶梯形磁铁的北极远离通电蝶形线圈；
将工件设于通电蝶形线圈下方，将通电蝶形线圈与工件上表面的距离设为提离距离；
根据沿垂直于阶梯形磁铁南极至北极的方向的截面面积，将阶梯形磁铁分为第一长方体磁铁部和第二长方体磁铁部，其中，第一长方体磁铁部的截面面积大于第二长方体磁铁部的截面面积；
将通电蝶形线圈的主瓣部分的宽度作为第一宽度，将主瓣部分的长度作为第一长度，将第二长方体磁铁部的宽度设置为大于第一宽度且小于第一宽度的2倍，将第二长方体磁铁部的长度设置为大于第一长度且小于第一长度的2倍；
选取在第二长方体磁铁部的长度范围内的任意值作为第二长方体磁铁部的长度，选取在第二长方体磁铁部的宽度范围内的任意值作为第二长方体磁铁部的宽度，根据第二长方体磁铁部的长度和宽度，得出第二长方体磁铁部的高度、第一长方体磁铁部的长度、宽度和高度的唯一值，以使在设定的提离距离范围内，工件表面的磁场分布保持均匀；
在工件表面的磁场分布保持均匀时，根据第一宽度、第一长度和横波声场的指向性函数，获得声场指向性。
可选的，在工件表面的磁场分布保持均匀时，根据第一宽度、第一长度和横波声场的指向性函数，获得声场指向性，包括：
横波声场的指向性函数公式如下：
其中，d(θ)为横波声场的指向性函数，
为主瓣部分对应的整个矩形剪切力源的
横波位移分量，
为固体中纵波波数，
分别为固体中横波波数，在以主瓣工作时的矩形
声源模型中心为坐标原点的坐标系中，远场质点的坐标为(R，θ，φ)，a为主瓣部分宽度的1/
2，b为主瓣部分长度的1/2。
可选的，还包括：
在第二长方体磁铁部与工件之间增设羰基铁板，以使在设定的提离距离范围内，工件表面的磁场分布保持均匀。
可选的，第二长方体磁铁部与工件之间增设羰基铁板，包括：
羰基铁板的面积与第二长方体磁铁部沿垂直于阶梯形磁铁南极至北极的方向的截面面积相同。
可选的，选取在第二长方体磁铁部的长度范围内的任意值作为第二长方体磁铁部的长度，选取在第二长方体磁铁部的宽度范围内的任意值作为第二长方体磁铁部的宽度，根据第二长方体磁铁部的长度和宽度，得出第二长方体磁铁部的高度、第一长方体磁铁部的长度、宽度和高度的唯一值，包括：
检测第二长方体磁铁部在设定的提离距离范围内的磁场分布，得出设定的提离距离范围内的磁场分布曲线，磁场分布曲线与蝶形线圈的通电方向对应；
根据选取的第二长方体磁铁部的长度和宽度，以逐一检测的方式确定第二长方体磁铁部的高度、第一长方体磁铁部的长度、宽度和高度的唯一值，以使阶梯形磁铁在设定的提离距离范围内的磁场分布保持均匀。
可选的，阶梯形磁铁在设定的提离距离范围内的磁场分布保持均匀，包括：
阶梯形磁铁在设定的提离距离范围内的磁场分布曲线与第二长方体磁铁部在提离距离为0时的磁场分布曲线的对称中心两侧均平顶分布。
本申请的有益效果为：本申请实施例提供的基于换能器的保持声场指向性的方法，包括将阶梯形磁铁设于通电蝶形线圈的上方，将阶梯形磁铁的南极靠近通电蝶形线圈，将阶梯形磁铁的北极远离通电蝶形线圈。将工件设于通电蝶形线圈下方，将通电蝶形线圈与工件上表面的距离设为提离距离。根据沿垂直于阶梯形磁铁南极至北极的方向的截面面积，将阶梯形磁铁分为第一长方体磁铁部和第二长方体磁铁部，其中，第一长方体磁铁部的截面面积大于第二长方体磁铁部的截面面积。将通电蝶形线圈的主瓣部分的宽度作为第一宽度，将主瓣部分的长度作为第一长度，将第二长方体磁铁部的宽度设置为大于第一宽度且小于第一宽度的2倍，将第二长方体磁铁部的长度设置为大于第一长度且小于第一长度的2倍。选取在第二长方体磁铁部的长度范围内的任意值作为第二长方体磁铁部的长度，选取在第二长方体磁铁部的宽度范围内的任意值作为第二长方体磁铁部的宽度，根据第二长方体磁铁部的长度和宽度，得出第二长方体磁铁部的高度、第一长方体磁铁部的长度、宽度和高度的唯一值，以使在设定的提离距离范围内，工件表面的磁场分布保持均匀。在工件表面的磁场分布保持均匀时，根据第一宽度、第一长度和横波声场的指向性函数，获得声场指向性。本申请实施例通过将磁铁设置为阶梯形的方式，使在设定的提离距离范围内，工件表面的磁场分布保持均匀，进而保持剪切应力分布均匀。在剪切应力分布均匀的前提下，根据横波声场的指向性函数，保持声场分布的清晰度，提高了确定铁磁构件的内部缺陷、损伤以及微裂纹的位置的准确性。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a为现有技术中电磁超声横波换能器的结构示意图；
图1b为现有技术中电磁超声横波换能器中长方体磁铁的结构示意图；
图1c为现有技术中电磁超声横波换能器中蝶形线圈的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种基于换能器的保持声场指向性的方法流程示意图；
图3a为本申请实施例提供的主瓣部分工作时的声源模型示意图；
图3b为本申请实施例提供的主瓣部分工作时的指向性图形；
图4为本申请实施例提供的第二长方体磁铁部的宽度、长度和高度为15mm×15mm×40mm时，在设定的提离距离范围内的工件表面磁场分布曲线图；
图5a为本申请实施例提供的在提离距离为3mm时，在设定的第二长方体磁铁部的宽度和长度范围内的工件表面磁场分布曲线图；
图5b为本申请实施例提供的第二长方体磁铁部的宽度和长度为40mm×40mm时，在设定的提离距离范围内的工件表面磁场分布曲线图；
图6a为本申请实施例提供的截面面积增加后的第二长方体磁铁部对应的电磁超声横波换能器的结构示意图；
图6b为本申请实施例提供的主瓣部分与旁瓣部分工作时的声源模型示意图；
图6c为本申请实施例提供的主瓣部分与旁瓣部分工作时的指向性图形；
图7a为本申请实施例提供的阶梯形磁铁对应的电磁超声横波换能器的结构示意图；
图7b为本申请实施例提供的阶梯形磁铁在设定的提离距离范围内的工件表面磁场分布曲线图；
图8a为本申请实施例提供的阶梯形磁铁和羰基铁板组合结构对应的电磁超声横波换能器的结构示意图；
图8b为本申请实施例提供的阶梯形磁铁和羰基铁板组合结构在设定的提离距离范围内的工件表面磁场分布曲线图；
图9a为本申请实施例提供的三种电磁超声横波换能器封装方式对应的工件表面磁场分布曲线图；
图9b为本申请实施例提供的阶梯形磁铁与阶梯形磁铁和羰基铁板组合结构的电磁超声横波换能器的信噪比示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
为便于对申请的技术方案进行，以下首先在对本申请所涉及到的一些概念进行说明。
参见1a，定义坐标系的z轴正向为磁铁的N极方向，y轴正向为主瓣电流传导方向。
工件中洛伦兹力可表示为
，其中，J为通电线圈在工件中激励的电涡流密度，B为
磁感应强度，由于静态磁场远远大于动态磁场，一般近似使用静态磁场的B z 代替B。设计永
磁体时，应使竖直方向上的磁场强度大于水平方向上的磁场强度，在同样的涡流密度下，洛
伦兹力的剪切应力大于正应力；铁磁材料表面涡流的切向分量强度大于法向分量，产生的
磁致伸缩剪切应力大于正应力；又由于正应力对横波声场的激励能量贡献不大，因此，等效
剪切应力起主要的激励作用，而忽略正应力对横波声场的影响。线圈处于磁场强度为H z 的
静态磁场中通有沿y方向的传导电流，工件表面受其影响产生的磁致伸缩位移为，
其中
为磁致伸缩应变，在与z轴相垂直的平面中分布与H z 相关；
为工件在
通电线圈作用下感应出的动态磁场强度。线圈采用多层印刷电路板结构时，层层之间可以
相互弥补线圈间隙，可将工件表面的J和
视为均匀分布，又由于
，为磁导率，因
此静态磁场强度的H z 结构决定了等效剪切应力的分布。
参见图2，本申请实施例提供了一种基于换能器的保持声场指向性的方法，包括以下步骤：
步骤S110：将阶梯形磁铁设于通电蝶形线圈的上方，将阶梯形磁铁的南极靠近通电蝶形线圈，将阶梯形磁铁的北极远离通电蝶形线圈。
步骤S120：将工件设于通电蝶形线圈下方，将通电蝶形线圈与工件上表面的距离设为提离距离。
步骤S130：根据沿垂直于阶梯形磁铁南极至北极的方向的截面面积，将阶梯形磁铁分为第一长方体磁铁部和第二长方体磁铁部，其中，第一长方体磁铁部的截面面积大于第二长方体磁铁部的截面面积。
步骤S140：将通电蝶形线圈的主瓣部分的宽度作为第一宽度，将主瓣部分的长度作为第一长度，将第二长方体磁铁部的宽度设置为大于第一宽度且小于第一宽度的2倍，将第二长方体磁铁部的长度设置为大于第一长度且小于第一长度的2倍。
步骤S150：选取在第二长方体磁铁部的长度范围内的任意值作为第二长方体磁铁部的长度，选取在第二长方体磁铁部的宽度范围内的任意值作为第二长方体磁铁部的宽度，根据第二长方体磁铁部的长度和宽度，得出第二长方体磁铁部的高度、第一长方体磁铁部的长度、宽度和高度的唯一值，以使在设定的提离距离范围内，工件表面的磁场分布保持均匀。
在一些实施例中，工件表面第二长方体磁铁部宽度方向上，检测第二长方体磁铁部在设定的提离距离l范围内的磁场分布，得出设定的提离距离范围内的磁场分布曲线，磁场分布曲线与蝶形线圈的通电方向对应；
根据选取的第二长方体磁铁部的长度和宽度，以逐一检测的方式确定第二长方体磁铁部的高度、第一长方体磁铁部的长度、宽度和高度的唯一值，以使阶梯形磁铁在设定的提离距离范围内的磁场分布保持均匀。
如图4所示，当第二长方体磁铁部的宽度、长度和高度选为15mm×15mm×40mm时，检测第二长方体磁铁部在设定的提离距离l范围内的磁场分布，得出设定的提离距离范围内的磁场分布曲线（由上至下分别为提离距离l=0、l=1mm、l=2mm、l=3mm、l=4mm、l=5mm的曲线），随着提离距离的l增加，工件表面的磁铁宽度方向的磁场分布会发生变化，导致剪切应力分布不均，进而导致声场分布的清晰度降低。
在一些实施例中，阶梯形磁铁在设定的提离距离范围内的磁场分布保持均匀，包括：
阶梯形磁铁在设定的提离距离范围内的磁场分布曲线与第二长方体磁铁部在提离距离为0时的磁场分布曲线的对称中心两侧均平顶分布。
如图5a所示，当提离距离选为3mm，第二长方体磁铁部的高度选为40mm时，增加第二长方体磁铁部的宽度和长度，检测第二长方体磁铁部在提离距离为3mm的磁场分布，得出提离距离为3mm的磁场分布曲线（由内至外分别为第二长方体磁铁部的宽度和长度为15mm×15mm、20mm×20mm、25mm×25mm、30mm×30mm、35mm×35mm、40mm×40mm的曲线），当第二长方体磁铁部的宽度和长度为增加至40mm×40mm时，工件表面的磁铁宽度方向的磁场分布曲线才能与图4中提离距离l=0时工件表面的磁铁宽度方向的磁场分布曲线的平顶分布范围一致。
如图5b，第二长方体磁铁部的宽度、长度和高度选为40mm×40mm×40mm时，不同提离距离下的磁场分布曲线（由上至下分别为提离距离l=0、l=1mm、l=2mm、l=3mm、l=4mm、l=5mm的曲线）的平顶分布区域随提离距离的减小明显变宽。且由图5b可知，提离距离较小时，旁瓣下方表面区域的竖直磁场强度将明显增加，旁瓣激励横波的作用也随之凸显出来。
如图6a和图6b所示，其中，A为磁铁，B为蝶形线圈，C为工件，D为提离距离，提离距离为蝶形线圈距离蝶形线圈下方的工件表面的距离，将主瓣中心距离旁瓣中心的间距记为d，当主瓣部分与旁瓣部分下方的表面区域均处于均磁场中时，推导出远场中的横波声场指向性公式如下：
如图6c所示，根据对应的指向性图形，可看出受旁瓣影响的横波声场能量变得发散，图案中除了最大值外还有较大的次大值，在测量时声场变得复杂而不利于缺陷的判定。
在一些实施例中，可选为增加蝶形线圈主瓣部分中心与旁瓣部分中心的间距d，将旁瓣移出磁场较大的区域可以改善受旁瓣影响的横波声场能量变得发散的情况，但根据图5b可知，这样会大大增加蝶形线圈的宽度，导致换能器不便封装和装夹。
如图7a所示，其中，A1为阶梯形磁铁，B为蝶形线圈，C为工件，D为提离距离，提离距离为蝶形线圈距离蝶形线圈下方的工件表面的距离，为了避免受旁瓣影响的横波声场能量变得发散的情况的同时不影响换能器不便封装和装夹，将磁铁由第二长方体磁铁部更换为阶梯形磁铁，阶梯形磁铁高度可选为40mm，第二长方体磁铁部的宽度、长度可选为25mm×25mm，第一长方体磁铁部的宽度、长度可选为40mm×40mm。如图7b所示，检测阶梯形磁铁在设定的提离距离l范围内的磁场分布，工件表面的磁铁宽度方向的磁场分布曲线（由上至下分别为提离距离l=0.5、l=1mm、l=2mm、l=3mm、l=4mm、l=5mm的曲线）中平顶分布范围与图5b中工件表面的磁铁宽度方向的磁场分布曲线（由上至下分别为提离距离l=0、l=1mm、l=2mm、l=3mm、l=4mm、l=5mm的曲线）的平顶分布范围相比，磁场分布曲线中平顶分布范围得到了压缩。
在一些实施例中，还包括：
在第二长方体磁铁部与工件之间增设羰基铁板，以使在设定的提离距离范围内，工件表面的磁场分布保持均匀。
在一些实施例中，第二长方体磁铁部与工件之间增设羰基铁板，包括：
羰基铁板的面积与第二长方体磁铁部沿垂直于阶梯形磁铁南极至北极的方向的截面面积相同。
如图8a所示，A1为阶梯形磁铁，B为蝶形线圈，C为工件，D为提离距离，提离距离为蝶形线圈距离蝶形线圈下方的工件表面的距离，E为羰基铁板，为了阶梯形磁铁在设定的提离距离范围内的磁场分布曲线与第二长方体磁铁部在提离距离为0时的磁场分布曲线具有一致的均匀分布特征，使图7b中磁场分布曲线上升沿和下降沿变得更加陡峭，在蝶形线圈和阶梯形磁铁之间增加羰基铁板，如图8b所示，检测阶梯形磁铁在设定的提离距离l范围内的磁场分布，工件表面的磁铁宽度方向的磁场分布曲线（由上至下分别为提离距离l=0.5、l=1mm、l=2mm、l=3mm、l=4mm、l=5mm的曲线），根据曲线可知工件表面的磁场平顶分布状态受提离距离影响较小，进一步，通过设置主瓣部分中心与旁瓣部分中心的间距d，控制蝶形线圈主瓣部分的工作区域处于平顶分布的磁场中即可，还可选为在蝶形线圈旁瓣部分与工件之间，设置吸波材料和良导体，以对旁瓣部分进行电磁屏蔽。
相比于仅采用第二长方体磁铁部，采用阶梯形磁铁以及羰基铁板可实现使用小宽度2(d+a)蝶形线圈，使在设定的提离距离范围内，工件表面的磁场分布保持均匀，进而保持剪切应力分布均匀。在剪切应力分布均匀的前提下，根据横波声场的指向性函数，保持声场分布的清晰度，保持声场指向性即能量分布状态不变，提高了确定铁磁构件的内部缺陷、损伤以及微裂纹的位置的准确性。
如图9a所示，在使用等高度磁铁，且提离距离均为2mm时，在长方体磁铁、阶梯形磁铁、阶梯形磁铁与羰基铁板组合结构三种封装状态下的工件表面的磁场分布曲线中，采用阶梯形磁铁与羰基铁板组合结构压缩并优化了磁场的平顶分布，进而在不同提离距离下保持仅有主瓣起到激励作用，使在设定的提离距离范围内，工件表面的磁场分布保持均匀，进而保持剪切应力分布均匀。在剪切应力分布均匀的前提下，根据横波声场的指向性函数，保持声场分布的清晰度，保持声场指向性即能量分布状态不变，提高了确定铁磁构件的内部缺陷、损伤以及微裂纹的位置的准确性。
如图9b所示，羰基铁板作为一种吸波材料，可以提高信噪比。对45号钢板中深度30mm、直径6mm的圆孔缺陷进行检测时，使用阶梯形磁铁与羰基铁板组合结构与使用阶梯形磁铁的电磁超声横波换能器相比，经计算知信噪比提高了2dB。
步骤S160：在工件表面的磁场分布保持均匀时，根据第一宽度、第一长度和横波声场的指向性函数，获得声场指向性。
在一些实施例中，在工件表面的磁场分布保持均匀时，根据第一宽度、第一长度和横波声场的指向性函数，获得声场指向性，包括：
横波声场的指向性函数公式如下：
其中，d(θ)为横波声场的指向性函数，
为主瓣部分对应的整个矩形剪切力源的
横波位移分量，
为固体中纵波波数，
分别为固体中横波波数，在以主瓣工作时的矩形
声源模型中心为坐标原点的坐标系中，远场质点的坐标为(R，θ，φ)，a为主瓣部分宽度的1/
2，b为主瓣部分长度的1/2。
在一些实施例中，将垂直于z轴的磁铁截面中心在工件表面的投影设置为坐标原点o。提离距离为0时，为了获得良好的声场指向性，一般将垂直于z轴的磁铁截面尺寸宽度和长度与蝶形线圈主瓣部分的宽度和长度设置相同，以便在工件表面与蝶形线圈主瓣部分的宽度和长度相对应的区域中，获得均匀分布的竖直磁场，保证主瓣部分在工件表面起主要的激励作用。将均匀磁场中线圈的激励作用等效为均匀的剪切应力源，如3a所示，在以矩形声源中心为坐标原点的坐标系中，远场质点Q的坐标为(R，θ，φ)，在以面元中心为坐标原点的坐标系中，远场质点Q的坐标为(R 0 ，θ 0 ，φ 0 )。基于文献(Miller G F, Pursey H. Thefield and radiation impedance of mechanical radiators on the free surface ofa semi-infinite isotropic solid[J]. Proceedings of the Royal Society ofLondon. Series A. Mathematical and Physical Sciences, 1954, 223(1155): 521-541.
忽略高次项，面元dS在Q处产生位移的横波分量
为
其中，k l 、k t 分别为固体中纵波波数及横波波数；μ为材料的切变模量。
令
，则
。
由几何关系
，且对于
的远场
，
又因为，
，
，
从矩形中各面元发出的声波到达远场质点Q时振幅的差异很小，故声压表达式中
振幅部分的R 0 可近似用活塞中心到观察点的距离R来代替，
由
代替，但相位部分的R 0 应由
代替，则
。
Q处位移的横波分量由整个矩形区域上积分得出：
可知，蝶形线圈主瓣在长方体磁铁的作用下，横波声场的指向性函数如下：
在过z轴的平面内，横波声场的指向性图形如3b所示，可见横波声场能量较为集中，且在z轴上达到最大，在测量时易于实现缺陷定位。
由上述实施例可知，本申请实施例提供的基于换能器的保持声场指向性的方法，包括将阶梯形磁铁设于通电蝶形线圈的上方，将阶梯形磁铁的南极靠近通电蝶形线圈，将阶梯形磁铁的北极远离通电蝶形线圈。将工件设于通电蝶形线圈下方，将通电蝶形线圈与工件上表面的距离设为提离距离。根据沿垂直于阶梯形磁铁南极至北极的方向的截面面积，将阶梯形磁铁分为第一长方体磁铁部和第二长方体磁铁部，其中，第一长方体磁铁部的截面面积大于第二长方体磁铁部的截面面积。将通电蝶形线圈的主瓣部分的宽度作为第一宽度，将主瓣部分的长度作为第一长度，将第二长方体磁铁部的宽度设置为大于第一宽度且小于第一宽度的2倍，将第二长方体磁铁部的长度设置为大于第一长度且小于第一长度的2倍。选取在第二长方体磁铁部的长度范围内的任意值作为第二长方体磁铁部的长度，选取在第二长方体磁铁部的宽度范围内的任意值作为第二长方体磁铁部的宽度，根据第二长方体磁铁部的长度和宽度，得出第二长方体磁铁部的高度、第一长方体磁铁部的长度、宽度和高度的唯一值，以使在设定的提离距离范围内，工件表面的磁场分布保持均匀。在工件表面的磁场分布保持均匀时，根据第一宽度、第一长度和横波声场的指向性函数，获得声场指向性。本申请实施例通过将磁铁设置为阶梯形的方式，使在设定的提离距离范围内，工件表面的磁场分布保持均匀，进而保持剪切应力分布均匀。在剪切应力分布均匀的前提下，根据横波声场的指向性函数，保持声场分布的清晰度，提高了确定铁磁构件的内部缺陷、损伤以及微裂纹的位置的准确性。由于以上实施方式均是在其他方式之上引用结合进行说明，不同实施例之间均具有相同的部分，本说明书中各个实施例之间相同、相似的部分互相参见即可。在此不再详细阐述。
需要说明的是，在本说明书中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的电路结构、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种电路结构、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，有语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的电路结构、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本申请的其他实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求的内容指出。
以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。
Claims (6)
1.一种基于换能器的保持声场指向性的方法，其特征在于，包括：
将阶梯形磁铁设于通电蝶形线圈的上方，将所述阶梯形磁铁的南极靠近所述通电蝶形线圈，将所述阶梯形磁铁的北极远离所述通电蝶形线圈；
将工件设于所述通电蝶形线圈下方，将所述通电蝶形线圈与所述工件上表面的距离设为提离距离；
根据沿垂直于所述阶梯形磁铁南极至北极的方向的截面面积，将所述阶梯形磁铁分为第一长方体磁铁部和第二长方体磁铁部，其中，所述第一长方体磁铁部的截面面积大于所述第二长方体磁铁部的截面面积；
将所述通电蝶形线圈的主瓣部分的宽度作为第一宽度，将所述主瓣部分的长度作为第一长度，将所述第二长方体磁铁部的宽度设置为大于所述第一宽度且小于第一宽度的2倍，将所述第二长方体磁铁部的长度设置为大于所述第一长度且小于第一长度的2倍；
选取在所述第二长方体磁铁部的长度范围内的任意值作为所述第二长方体磁铁部的长度，选取在所述第二长方体磁铁部的宽度范围内的任意值作为所述第二长方体磁铁部的宽度，根据所述第二长方体磁铁部的长度和宽度，得出所述第二长方体磁铁部的高度、所述第一长方体磁铁部的长度、宽度和高度的唯一值，以使在设定的提离距离范围内，工件表面的磁场分布保持均匀；
在工件表面的磁场分布保持均匀时，根据第一宽度、第一长度和横波声场的指向性函数，获得声场指向性。
2.根据权利要求1所述的基于换能器的保持声场指向性的方法，其特征在于，在工件表面的磁场分布保持均匀时，根据第一宽度、第一长度和横波声场的指向性函数，获得声场指向性，包括：
横波声场的指向性函数公式如下：
其中，d(θ)为横波声场的指向性函数，
为主瓣部分对应的整个矩形剪切力源的横波
位移分量，
为固体中纵波波数，
分别为固体中横波波数，在以主瓣工作时的矩形声源
模型中心为坐标原点的坐标系中，远场质点的坐标为(R，θ，φ)，a为主瓣部分宽度的1/2，b
为主瓣部分长度的1/2。
3.根据权利要求1所述的基于换能器的保持声场指向性的方法，其特征在于，还包括：
在所述第二长方体磁铁部与所述工件之间增设羰基铁板，以使在设定的提离距离范围内，工件表面的磁场分布保持均匀。
4.根据权利要求3所述的基于换能器的保持声场指向性的方法，其特征在于，所述第二长方体磁铁部与所述工件之间增设羰基铁板，包括：
所述羰基铁板的面积与第二长方体磁铁部沿垂直于所述阶梯形磁铁南极至北极的方向的截面面积相同。
5.根据权利要求1所述的基于换能器的保持声场指向性的方法，其特征在于，选取在所述第二长方体磁铁部的长度范围内的任意值作为所述第二长方体磁铁部的长度，选取在所述第二长方体磁铁部的宽度范围内的任意值作为所述第二长方体磁铁部的宽度，根据所述第二长方体磁铁部的长度和宽度，得出所述第二长方体磁铁部的高度、所述第一长方体磁铁部的长度、宽度和高度的唯一值，包括：
检测所述第二长方体磁铁部在设定的提离距离范围内的磁场分布，得出设定的所述提离距离范围内的磁场分布曲线，所述磁场分布曲线与蝶形线圈的通电方向对应；
根据选取的所述第二长方体磁铁部的长度和宽度，以逐一检测的方式确定所述第二长方体磁铁部的高度、所述第一长方体磁铁部的长度、宽度和高度的唯一值，以使所述阶梯形磁铁在设定的提离距离范围内的磁场分布保持均匀。
6.根据权利要求5所述的基于换能器的保持声场指向性的方法，其特征在于，所述阶梯形磁铁在设定的提离距离范围内的磁场分布保持均匀，包括：
所述阶梯形磁铁在设定的提离距离范围内的磁场分布曲线与所述第二长方体磁铁部在提离距离为0时的所述磁场分布曲线的对称中心两侧均平顶分布。
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