一种全指向型S0模态兰姆波电磁超声换能器制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】
一种全指向型S0模态兰姆波电磁超声换能器
本专利技术涉及一种电磁超声换能器，属于电磁超声检测

技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术为解决现有的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。本专利技术所述的全指向型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F1S0_A0_A1_max达到最大；在(0.25λ1,0.75λ1]内初步选定D，使得F1S0_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；F1S0_A0_A1_max为1.80MHz·mm～2.00MHz·mm频厚积范围内的F1S0_A0_A1的最大值；F1S0_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；F1S0_A0_A1＝2F1S0/F1S0_max+(2F1S0-F1A1-F1A0)/F1S0，F1A0、F1S0和F1A1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，F1S0_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F2S0_A1_max达到最大；其中，F2S0_A1_max为1.9MHz·mm频厚积下的F2S0_A1的最大值；F2S0_A1为激发的S0模态兰姆波对A1模态兰姆波的抑制能力；F2S0_A1＝F2S0/F2S0_max+(F2S0-F2A1)/F2S0，F2S0和F2A1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；F2S0_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F1S0_A0_A1_max达到最大；根据确定的R1、D和W，确定R1和d。本专利技术所述的全指向型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。本专利技术所述的全指向型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。本专利技术所述的全指向型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专利技术所述的全指向型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FS0_A0_A1_max随R1的变化曲线图；图8为实施例提及的FS0_A0_A1_max随D的变化本文档来自技高网...

【技术保护点】
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F1S0_A0_A1_max达到最大；在(0.25λ1,0.75λ1]内初步选定D，使得F1S0_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；F1S0_A0_A1_max为1.80MHz·mm～2.00MHz·mm频厚积范围内的F1S0_A0_A1的最大值；F1S0_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；F1S0_A0_A1＝2F1S0/F1S0_max+(2F1S0‑F1A1‑F1A0)/F1S0，F1A0、F1S0和F1A1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，F1S0_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F2S0_A1_max达到最大；其中，F2S0_A1_max为1.9MHz·mm频厚积下的F2S0_A1的最大值；F2S0_A1为激发的S0模态兰姆波对A1模态兰姆波的抑制能力；F2S0_A1＝F2S0/F2S0_max+(F2S0‑F2A1)/F2S0，F2S0和F2A1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；F2S0_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F1S0_A0_A1_max达到最大；根据确定的R1、D和W，确定R1和d。...

【技术特征摘要】
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F1S0_A0_A1_max达到最大；在(0.25λ1,0.75λ1]内初步选定D，使得F1S0_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；F1S0_A0_A1_max为1.80MHz·mm～2.00MHz·mm频厚积范围内的F1S0...

【专利技术属性】
技术研发人员：康磊，麦建伟，赵辉，马一博，刘梦晗，赵钧，张超，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23