基于周期磁场—周期涡流空间混频及相位调控的高波数Lamb波电磁超声激励方法及装置

本发明涉及一种基于周期磁场—周期涡流空间混频及相位调控的高波数 lamb波电磁超声激励方法及装置，属于电磁超声换能器、超声导波无损检测和结构健康监测。

背景技术：

1、lamb 波能够沿板状结构传播，并对裂纹、减薄、腐蚀和界面缺陷产生响应。电磁超声换能器具有非接触、无需耦合剂和适应高温或运动构件等优点。对于非铁磁导电板，交变涡流与偏置磁场相互作用形成的洛伦兹力是常用激励机理。

2、lamb 波具有频散和多模态特性。要选择性激励某一模态，不仅需要使电激励频率与目标模态匹配，还需要使力源的空间波数与目标模态在该频率下的波数匹配。传统方案通常由线圈间距或磁铁周期中的一个参数直接决定主要力源波数，因此目标波长越短，单一结构所需的基础尺寸越小。

3、在常见 emat 设计与简化分析中，通常重点塑造磁场或涡流中的一个空间分布，另一个场在局部范围内被近似为缓慢变化或常值；即使磁铁和线圈同时呈周期排布，也多用于洛伦兹力方向编码、单一波长选择或幅值增强。本发明则要求把参与目标方向洛伦兹力的磁场分量和涡流分量同时作为具有非零空间波数的设计对象，主动利用二者乘积的和、差波数关系。

4、现有方案主要存在以下问题：

5、1、手工或常规工艺难以稳定实现更小的曲折线圈间距，线圈电阻、电感、绝缘和脉冲电流能力也受到限制；

6、2、永磁体尺寸继续减小时，磁体加工、极性排列、装配误差和磁场强度之间存在矛盾；

7、3、现有方案缺少一套从目标频散工作点出发，同时确定磁场波数、涡流波数及其相对空间相位的反向设计方法；

8、4、当等周期磁场与涡流同相时，基波乘积同时包含零波数和2k0分量，零波数载荷会降低目标非零力谱的相对占比；

9、5、普通固定支架只能保证机械位置，不能根据洛伦兹力空间谱或目标模态响应校准磁场与涡流的相对相位。

10、现有技术，专利申请号为202110274311.7的发明专利，公开了一种电磁超声lamb波换能器及在线检测系统、方法；其采用 n 个永磁体与 n 个曲折线圈构成多个 emat 单元，并按照 barker 码序列设置磁铁充磁方向和线圈电流方向，使普通正弦脉冲激励产生具有 barker 码特征的超声波，用于后续脉冲压缩、旁瓣抑制和近距离缺陷检测。但其设计变量是多个独立 emat 单元的离散正负符号序列，解决的是编码激励持续时间、功放负担、信噪比和检测盲区问题；并不能够解决高波数力源构造、短波长结构加工限制和洛伦兹力空间谱纯度问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，进而提供一种基于周期磁场—周期涡流空间混频及相位调控的高波数 lamb 波电磁超声激励方法及换能器装置。该方法由频散关系确定目标波数，联合设计非零的磁场波数和涡流波数，使与匹配，并通过连续相对空间相位调控降低零波数或其他非目标分量。该换能器装置满足上述波数关系和相位关系，使磁铁和线圈的基础周期仍处于可加工、可绕制范围，而获得更短的等效力源波长；所述相对定位组件用于实施相位设计、微调和锁定，并非作为与技术效果无关的普通附加结构。

2、本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

3、一种基于周期磁场—周期涡流空间混频及相位调控的高波数 lamb 波电磁超声激励方法，包括以下步骤：

4、步骤一：根据被测板的材料、厚度和检测任务确定目标lamb 模态及候选工作频率；

5、步骤二：由频散关系读取或计算步骤一中确定的目标lamb 模态在候选工作频率下的目标波数；

6、步骤三：设置非零主导波数和，使，并且等周期方案中，将相对位移初始设为，其中：表示周期磁场目标基波沿lamb 波传播方向的空间周期；表示周期涡流目标基波沿同一方向的空间周期；

7、步骤四：根据，反向确定和，并设计磁体尺寸、极性节距、线圈导线间距及匝数；

8、步骤五：计算或提取板内沿z方向的感应涡流密度分量、沿x方向的偏置磁通密度分量、沿y方向的偏置磁通密度分量及相应洛伦兹力的空间分布和波数谱，以洛伦兹力目标波数幅值、目标力谱能量占比或零波数泄漏作为校准指标，进行谱域校准；

9、步骤六：在预设相位附近扫描相对位置，修正边缘效应、涡流扩散和装配误差导致的偏差，锁定目标分量较大且非目标分量较低的位置；

10、步骤七：将有限周期窄带电压或电流激励施加于周期涡流发生组件，并通过接收电压、传播速度、频谱及二维fft验证目标模态和工作点。

11、优选的，所述步骤三中通过调节磁场与涡流的连续相对空间相位，抑制非目标差波数退化形成的零波数载荷，保留目标和波数，表示等周期方案中磁场基波与涡流基波的共同空间波数。

12、优选的，步骤六中所述目标力谱能量占比定义为目标波数邻域内洛伦兹力谱能量与所考察非零波数范围内总力谱能量之比，用于不同结构参数和相位参数之间的定量比较。

13、一种基于周期磁场—周期涡流空间混频及相位调控的高波数lamb波电磁超声激励方法的换能器装置，至少包括：周期磁场发生组件、周期涡流发生组件和相对定位组件；周期磁场发生组件与周期涡流发生组件通过相对定位组件可调固定；周期磁场发生组件，用于在板面附近形成具有非零主导波数的目标磁场分量；

14、周期涡流发生组件，用于在板内形成具有非零主导波数的涡流分量；

15、相对定位组件，用于设定并保持磁场基波与涡流基波之间的预定空间相位。

16、优选的，在等周期方案中周期磁场发生组件与周期涡流发生组件通过相对定位组件先定位至共同周期的四分之一，再经谱域校准后锁定。

17、优选的，所述周期磁场发生组件为相邻磁体单元极性交替排列的周期永磁体阵列。

18、优选的，所述周期涡流发生组件为相邻导线段电流方向交替排列的周期曲折线圈。

19、与现有技术相比较，本发明的有益效果如下：

20、1、建立从目标 lamb 模态频散工作点出发的参数反向设计方法，可针对不同材料、板厚、频率和模态重新分配与，而不局限于单一固定结构尺寸；

21、2、通过 的和波数合成，在不要求任一单独磁铁周期或线圈周期等于目标短波长的条件下获得高波数力源；在等周期实施方式中可实现等效力源波长减半；

22、3、降低高波数 lamb 波激励对极小导线间距、极小磁体尺寸及高精度单一周期加工的依赖；

23、4、通过相位初值设计和谱域校准降低零波数或其他非目标分量，提高目标波数洛伦兹力的相对占比，并补偿边缘效应和装配误差；

24、5、相对定位组件与零波数抑制及目标力谱校准建立明确功能关系，区别于只起机械固定作用的常规支架；

25、6、有限元与实验均在 2 mm 厚铝板上验证了 6 mm 磁场周期与 6 mm 涡流周期合成 3 mm 等效力源波长、在约 870 khz 激励 a0模态的可实施性；

26、7、装置仍可采用常规永磁体阵列、曲折线圈及机械定位结构，便于制造和工程实现，同时不把常规激励、接收和处理电路误写为主要创造性来源。

27、8、本发明的设计变量即非零主导波数是两个连续空间场的波数、幅值及相对相位，解决的是高波数力源构造、短波长结构加工限制和洛伦兹力空间谱纯度问题；在不直接缩小单一线圈周期或磁铁周期的情况下，构造与目标 lamb 模态匹配的高波数洛伦兹力。

28、9、本发明的调控对象为周期磁场基波和周期涡流基波的空间波数、幅值及连续相对空间相位，即从“单元符号编码”转变为“两个空间场的联合设计”。

29、10、本发明通过磁场与涡流在空间域相乘，产生和波数 与差波数；选择和波数匹配目标模态，利用的是乘积频谱产生的新波数分量。

30、11、本发明根据板材、厚度、目标模态和工作频率，由频散关系根据目标和波数关系分配磁场基波波数与涡流基波波数；然后由 ，反向分别计算磁场基波周期和涡流基波周期、基础周期和相位，形成目标频散点驱动的设计流程。

31、12、本发明通过磁铁阵列相对线圈的连续位移调节与基波相位差，以抑制零波数项并纯化洛伦兹力波数谱。

32、13、本发明的典型输出与评价为目标高波数洛伦兹力及短波长 lamb 模态；评价目标波数谱峰、零波数泄漏、目标力谱占比、二维 fft 工作点和群速度。

33、14、本发明等周期实施例中，获得 ；四分之一周期错位抑制零波数分量。