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基于洛伦兹力机理的电磁超声换能器建模及仿真研究

作　者: 李智超
导　师: 王淑娟
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 电气工程
关键词: 电磁超声换能器洛伦兹力机理表面波体波
分类号: TB552
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 207次
引　用: 4次
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内容摘要

电磁超声技术由于无需耦合剂,方便产生多种类型超声波,广泛应用于超声无损检测领域。本文研究了基于洛伦兹力机理的电磁超声换能器建模及仿真分析。采用数值法和解析法相结合,计算了电磁超声换能器的声场特性,为电磁超声换能器优化设计奠定了理论研究基础。首先根据电磁场理论推导了洛伦兹力产生机理。由弹性动力学理论推导了表面点力作用下表面波位移的解析表达式及横纵体波位移的解析表达式,为计算电磁超声表面波和电磁超声体波的声场提供了理论依据。采用三维有限元方法对曲折线圈电磁超声表面波换能器进行建模,仿真分析铝板中洛伦兹力分布及表面波声场分布。洛伦兹力包括两种分量,一种是由涡流和外界静磁场作用产生的,另一种是涡流和线圈电流激发的交变磁场作用产生的。静磁场洛伦兹力激发的表面波幅值与激励电流大小成正比,而交变磁场洛伦兹力激发的表面波幅值是激励电流大小的二次方函数。当激励电流等于528.9 A时,静磁场洛伦兹力和交变磁场洛伦兹力激发的表面波幅值相等。在激励电流较大时,不能忽略交变磁场洛伦兹力的影响。本文对螺旋线圈电磁超声体波换能器进行建模,仿真分析了其在铝板内部产生的横、纵波声场分布。水平径向洛伦兹力主要产生沿深度方向传播的横波,垂直方向洛伦兹力主要产生沿深度方向传播的纵波。螺旋线圈电磁超声换能器在铝板中产生的横波分量大于纵波分量,横波在铝板中能够传播较远的距离,纵波很快衰减为零。为验证所建模型的正确性,本文采用电磁超声换能器探头并配合机械装置,对电磁超声表面波换能器激发的表面波声场特性进行了实验验证。实验检测结果与仿真结果相一致,验证了模型的正确性和有效性。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-15
  1.1 课题的来源及研究的目的和意义  8-9
  1.2 电磁超声换能器换能机理  9-10
  1.3 电磁超声检测技术的国内外研究现状  10-11
  1.4 电磁超声换能器建模及仿真的国内外研究现状  11-14
    1.4.1 国外研究现状  12-13
    1.4.2 国内研究现状  13-14
  1.5 本文主要研究内容  14-15
第2章电磁超声激发机理  15-27
  2.1 洛伦兹力机理  15-17
  2.2 洛伦兹力激发表面波控制方程  17-23
  2.3 洛伦兹力激发体波控制方程  23-25
  2.4 本章小结  25-27
第3章电磁超声表面波换能器建模及仿真分析  27-43
  3.1 引言  27
  3.2 本体建模及仿真分析  27-33
  3.3 声场建模及仿真分析  33-38
  3.4 表面波换能器参数分析  38-41
    3.4.1 近场长度和远场最大幅值  38-39
    3.4.2 声束半扩散角  39-40
    3.4.3 换能器参数计算  40-41
  3.5 本章小结  41-43
第4章电磁超声体波换能器建模及仿真分析  43-52
  4.1 引言  43
  4.2 本体建模及仿真分析  43-46
  4.3 声场建模及仿真分析  46-48
  4.4 体波换能器参数计算  48-51
  4.5 本章小结  51-52
第5章实验验证  52-59
  5.1 引言  52
  5.2 实验系统的设计  52-55
  5.3 实验结果及分析  55-58
    5.3.1 铝板表面质点表面波面外位移  55-56
    5.3.2 声轴线上表面波面外振幅分布  56-57
    5.3.3 表面波面外位移的半扩散角  57-58
  5.4 本章小结  58-59
结论  59-60
参考文献  60-64
附录  64-65
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  65-67
致谢  67

基于洛伦兹力机理的电磁超声换能器建模及仿真研究

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