一种非等间距曲折线圈电磁超声换能器

1.本发明涉及超声检测领域，具体是涉及一种非等间距曲折线圈电磁超声换能器。


背景技术：

2.曲折线圈电磁超声换能器主要被用于产生沿试件表面传播的超声波。根据曲折线圈电磁超声换能器作用试件的厚度不同可分为rayleigh波和lamb波电磁超声换能器。当试件的厚度较厚时，曲折线圈电磁超声换能器产生rayleigh波。rayleigh波的能量主要聚集在试件表面一个波长的深度内，超过这一深度后rayleigh波的幅值迅速下降。因此，rayleigh波主要用于检测试件的浅表层缺陷。在rayleigh波的作用下，试件中粒子的运动轨迹为椭圆形，因此可分为面内位移和面外位移分量。面内位移比面外位移小，并且两者的相位差为π/2。当rayleigh波的波长比缺陷深度大时，大部分rayleigh波绕过缺陷继续向前传播，形成透射波；当rayleigh波的波长比缺陷深度小时，大部分rayleigh波都会被缺陷反射回去形成反射波。因此，缺陷对rayleigh波的作用就像电子元器件中的低通滤波器。rayleigh波在铝试件中的传播速度不用考虑频率的影响。当曲折线圈电磁超声换能器作用于薄壁件时，会在试件中产生lamb波。lamb波在试件中的传播速度不仅与频率有关还与薄板件的厚度有关。另外lamb波中包含各种对称波(s0,s1,s2
……
)和不对称波(a0,a1,a2
……
)，在实际应用中，同时对不同模式的lamb波进行检测和分析困难，在实际检测中也不需要同时利用多种模式波。曲折线圈电磁超声换能器除了可以产生rayleigh波和lamb波外，合理地设计曲折线圈相邻导线之间的间距，让相邻导线产生的超声波与聚焦点的距离差为半波长就可产生聚焦剪切波。
3.现有的等间距曲折线圈电磁超声换能器，相邻导线之间的间距都是相等的，产生的rayleigh波和lamb波幅值较小，换能效率较低。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是，克服上述背景技术的不足，提供一种非等间距曲折线圈电磁超声换能器，产生的rayleigh波和lamb波幅值较大，换能效率较高。
5.本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种非等间距曲折线圈电磁超声换能器，包括磁铁、试件和线圈，磁铁位于试件上，磁铁的数量为5块，5块磁铁呈单列排布产生静磁场，所有磁铁的极性都在竖直方向，两块相邻磁铁的极性方向相反，线圈位于磁铁的下方，所述线圈包括9根非等间距的导线，从左至右给9根导线按阿拉伯数字编号，编号奇数的导线间间距固定，编号偶数的导线间间距不固定，9根非等间距的导线的排列方式定义为：将等间距曲折线圈电磁超声换能器的导线排列方式进行调整，具体为将等间距曲折线圈电磁超声换能器的编号为奇数的导线去掉，保留编号为偶数的导线，作为1、3、5、7号导线，在等间距曲折线圈电磁超声换能器的水平磁场和竖直磁场相交的四个点处增加四根导线，作为2、4、6、8号导线，在最后一块磁铁的末端下方增加一根导线，作为9号导线，所述1、2、5、6、9号导线的电流方向与3、4、7、8号导线的电流方向相反。
6.进一步，所述非等间距曲折线圈电磁超声换能器为非等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器，每块磁铁的高度为5mm，长度为40mm，宽度为6mm，所述试件的厚度是50mm以上，编号奇数的导线间间距为6mm。
7.进一步，所述非等间距曲折线圈电磁超声换能器为非等间距曲折线圈lamb波电磁超声换能器，每块磁铁的高度为5mm，长度为40mm，宽度为5mm；所述试件的厚度是2mm；编号奇数的导线间间距为5mm。
8.进一步，所述1、2、5、6、9号导线的电流方向向外，所述3、4、7、8号导线的电流方向向内。
9.进一步，所述试件的厚度是60mm。
10.与现有技术相比，本发明的优点如下：本发明在等间距曲折线圈电磁超声换能器的基础上，提出了一种非等间距曲折线圈电磁超声换能器，非等间距曲折线圈电磁超声换能器与等间距曲折线圈电磁超声换能器的磁铁配置保持一致，非等间距曲折线圈电磁超声换能器将更多的导线位于更强的水平磁场中，产生的rayleigh波和lamb波幅值较大，换能效率较高。非等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器产生的rayleigh波波幅值较大，可将rayleigh波的换能效率提升约40％；非等间距曲折线圈lamb波电磁超声换能器，产生的lamb波波幅值较大，可将lamb波的换能效率提升34％。
附图说明
11.图1是现有的等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器的结构示意图。
12.图2是图1的截面示意图。
13.图3(a)是现有的等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器在试件产生的水平磁场分布云图；图3(b)是现有的等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器在试件产生的竖直磁场分布云图。
14.图4是现有的等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器在试件产生的的磁场分布数值图。
15.图5是本发明实施例1的非等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器的结构示意图。
16.图6是图5的的截面示意图。
17.图7(a)是现有的等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器在不同时刻产生的涡流分布图，图7(b)是非等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器在不同时刻产生的涡流分布图。
18.图8是现有的等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器和非等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器在试件表面产生的涡流分布图。
19.图9(a)是现有的等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器在产生的洛伦兹力示意图，图9(b)是非等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器在产生的洛伦兹力示意图。
20.图10(a)是现有的等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器在不同时刻产生的超声波云图，图10(b)是非等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器在不同时刻产生的超声波云图。
21.图11(a)是现有的等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器产生的超声波数值图，图11(b)是非等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器产生的超声波数值图。
22.图12是现有的等间距曲折线圈lamb波电磁超声换能器的结构示意图。
23.图13是图12的截面示意图。
24.图14(a)是是现有的等间距曲折线圈lamb波电磁超声换能器在试件产生的水平磁场分布云图；图14(b)是现有的等间距曲折线圈lamb波电磁超声换能器在试件产生的竖直磁场分布云图。
25.图15是现有的等间距曲折线圈lamb波电磁超声换能器在试件产生的的磁场分布数值图。
26.图16是本发明实施例2的非等间距曲折线圈lamb波电磁超声换能器的结构示意图。
27.图17是图16的截面示意图。
28.图18是现有的等间距曲折线圈lamb波电磁超声换能器和非等间距曲折线圈lamb波电磁超声换能器在试件表面产生的涡流分布图。
29.图19(a)是现有的等间距曲折线圈lamb波电磁超声换能器产生的lamb波示意图，图19(b)是非等间距曲折线圈lamb波电磁超声换能器产生的lamb波示意图。
30.图中：1—磁铁，2—线圈，3—试件，4—导线。
具体实施方式
31.下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。
32.实施例1
33.参照图1、图2，现有的等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器包括磁铁1、试件3和线圈2，磁铁1位于试件3上，磁铁1的数量为5块，5块磁铁1呈单列排布产生静磁场，所有磁铁1的极性都在竖直方向，两块相邻磁铁1的极性方向相反，每块磁铁1的高度为5mm，长度为40mm，宽度为6mm，线圈2位于磁铁1的下方，试件3的厚度是50mm以上，本实施例中是60mm；线圈2包括9根等间距的导线4，从左至右给9根导线4按阿拉伯数字编号，编号奇数的导线4在每一块磁铁1的正中间下方，编号为偶数的导线4在每两块磁铁1的接触面的正下方，1、2、5、6、9号导线的电流方向与3、4、7、8号导线的电流方向相反，1、2、5、6、9号导线的电流方向向外，3、4、7、8号导线的电流方向向内，相邻导线4间距为3mm。
34.由图3可知，等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器产生的磁场主要集中在试件3的浅表层；水平磁场和竖直磁场都是交替变化的；两个相邻水平磁场的峰值方向相反，竖直磁场同样遵循此规律。在两个水平磁场或者两个竖直磁场中间是另一个方向的磁场。涡流只存在试件3表面集肤深度内。对应的，只有这一部分区域会产生激发超声波的洛伦兹力。
35.试件3表面的磁场分布如图4所示。图4中的水平磁场和竖直磁场的每一个峰值之间存在一定差距，但整体变化情况基本符合周期性变化。竖直磁场bsy与水平磁场bsx之间的相位差约为π/2。水平磁场有6个峰值；竖直磁场有5个峰值。图4中，虚线代表导线4的位置，导线4都位于水平或竖直磁场的峰值处，每一块磁铁1中间下方处于竖直磁场中，每两块相邻磁铁1接触面下方处于水平磁场中，编号为奇数的导线4位于竖直磁场中，编号为偶数
的导线4位于水平磁场中。图4中四个黑点为水平磁场和竖直磁场相交的点，此处的磁场同时具有用较强的水平磁场和竖直磁场。相较于编号为奇数的导线4，黑点处的竖直磁场只减弱了不到20％，但拥有显著提升的水平磁场。因此可合理推测在黑点处布置导线4产生的rayleigh波幅值比编号为奇数的导线4产生的rayleigh波幅值大。
36.本实施例非等间距曲折线圈电磁超声换能器为非等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器，非等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器在等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器的基础上进行改进。
37.参照图5、图6，本实施例非等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器包括磁铁1、试件3和线圈2，磁铁1位于试件3上，磁铁1的数量为5块，5块磁铁1呈单列排布产生静磁场，所有磁铁1的极性都在竖直方向，两块相邻磁铁1的极性方向相反，每块磁铁1的高度为5mm，长度为40mm，宽度为6mm，试件3的厚度是50mm以上，本实施例中是60mm；线圈2位于磁铁1的下方，线圈2包括9根非等间距的导线4，从左至右给9根导线4按阿拉伯数字编号，编号奇数的导线4间间距为6mm，编号偶数的导线4间间距不固定，9根非等间距的导线4的排列方式定义为：将等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器的导线4排列方式进行调整，具体为将等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器的编号为奇数的导线4去掉，保留编号为偶数的导线4，作为1、3、5、7号导线，在等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器的水平磁场和竖直磁场相交的四个点处增加四根导线，作为2、4、6、8号导线，在最后一块磁铁1的末端下方增加一根导线，作为9号导线，1、2、5、6、9号导线的电流方向与3、4、7、8号导线的电流方向相反，本实施例中，1、2、5、6、9号导线的电流方向向外，3、4、7、8号导线的电流方向向内。
38.传统优化电磁超声换能器的主要思路是改善磁铁配置，产生更有利于激发rayleigh波的磁场分布。与传统优化曲折线圈电磁超声换能器的思路不同，非等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器保持磁铁配置不变，将线圈中导线分布改变，适应磁场的分布。但除了磁场以外，试件表面的涡流也会直接影响产生超声波的洛伦兹力。为考察非等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器对换能效率的提升，需要对非等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器在试件表面产生的涡流进行研究。由图7可知，涡流主要分布在试件表面下很浅的集肤层内。随着时间变化，试件内的涡流分布也会发生改变。在相同时刻非等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器产生的涡流密度大于等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器产生的涡流。
39.为直观的比较等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器和非等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器在试件表面产生的涡流，将试件表面的涡流密度频域解展示在图8中。由图8可知，等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器在试件表面产生的涡流共有五个峰值，前四个峰值又由两个小的峰值组成。这是由于前四个峰值是由两根具有同向电流的导线生成的，由于导线之间的间距较大，涡流并没有形成一个波峰而是分叉的两个波峰。而非等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器中同向电流的两根导线之间的间距足够小，因此产生的涡流形成了一个波峰。由于非等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器中同向电流的两根导线之间较小的间距使得在试件表面产生的涡流最大值约为等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器在试件表面产生的涡流最大值的1.4倍。
40.洛伦兹力为试件表面磁场和涡流相互作用的结果，将水平洛伦兹力和竖直洛伦兹
力展示在图9中。等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器和非等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器产生的水平洛伦兹力和竖直洛伦兹力基本符合周期性变化。水平洛伦兹力在正负两个方向都有分布，正方向分布较强，负方向分布较弱。竖直洛伦兹力在正负方向的分布相对更均匀。等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器和非等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器产生的水平洛伦兹力的最大值差距不大；非等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器产生的竖直洛伦兹力等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器的大约30％。由水平磁场更有利于rayleigh波的激发可知，竖直洛伦兹力更有利于超声波的产生。因此，非等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器可产生更强的rayleigh波。
41.参照图10，除了rayleigh波外，少量的剪切波和纵波也被两个rayleigh波电磁超声换能器激发。试件中的rayleigh波主要集中在试件表面，超过一定深度后迅速衰减。等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器和非等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器都在左右两个方向激发rayleigh波。为减少反射波与入射波的干涉将试件的两个侧面设置为低反射边界。可观察到，非等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器产生的rayleigh波幅值明显强于等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器产生的rayleigh波幅值。
42.为便于直接比较等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器和非等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器产生rayleigh波的幅值，研究非等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器换能效率的提升。将等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器和非等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器在试件表面产生超声波的面内和面外位移展示在图11中。由图11可知，等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器和非等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器激发超声波的面内外位移差为π/2，面内位移小于面外位移。非等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器产生的超声波面内外位移幅值的增强分别为为：
[0043][0044][0045]
因此实施例提出的非等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器可显著提升rayleigh波电磁超声换能器的换能效率。
[0046]
实施例2
[0047]
参照图12、13，现有的等间距曲折线圈lamb波电磁超声换能器包括磁铁1、试件3和线圈2，磁铁1位于试件3上，磁铁1的数量为5块，5块磁铁1呈单列排布产生静磁场，所有磁铁1的极性都在竖直方向，两块相邻磁铁1的极性方向相反，每块磁铁1的高度为10mm，长度为40mm，宽度为5mm；试件3的厚度是2mm；线圈2位于磁铁1的下方，线圈2包括9根等间距的导线4，从左至右给9根导线4按阿拉伯数字编号，编号奇数的导线4在每一块磁铁1的正中间下方，编号为偶数的导线4在每两块磁铁1的接触面的正下方，1、2、5、6、9号导线的电流方向与3、4、7、8号导线的电流方向相反，1、2、5、6、9号导线的电流方向向外，3、4、7、8号导线的电流方向向内，相邻导线4间距为2.5mm。
[0048]
等间距曲折线圈lamb波电磁超声换能器产生的磁场与等间距曲折线圈rayleigh
波电磁超声换能器产生的磁场类似，由图14可知，等间距曲折线圈lamb波电磁超声换能器产生的磁场主要集中在试件3的浅表层；水平磁场和竖直磁场都是交替变化的；两个相邻水平磁场的峰值方向相反，竖直磁场同样遵循此规律。在两个水平磁场或者两个竖直磁场中间是另一个方向的磁场。涡流只存在试件3表面集肤深度内。对应的，只有这一部分区域会产生激发超声波的洛伦兹力。
[0049]
试件3表面的磁场分布如图15所示。图15中的水平磁场和竖直磁场的每一个峰值之间存在一定差距，但整体变化情况基本符合周期性变化。竖直磁场bsy与水平磁场bsx之间的相位差约为π/2。水平磁场有6个峰值；竖直磁场有5个峰值。图15中，虚线代表导线4的位置，导线4都位于水平或竖直磁场的峰值处，每一块磁铁1中间下方处于竖直磁场中，每两块相邻磁铁1接触面下方处于水平磁场中，编号为奇数的导线4位于竖直磁场中，编号为偶数的导线4位于水平磁场中。图15中四个黑点为水平磁场和竖直磁场相交的点，此处的磁场同时具有用较强的水平磁场和竖直磁场。相较于编号为奇数的导线4，黑点处的竖直磁场只减弱了不到20％，但拥有显著提升的水平磁场。因此可合理推测在黑点处布置导线4产生的lamb波幅值比编号为奇数的导线4产生的lamb波幅值大。
[0050]
本实施例非等间距曲折线圈电磁超声换能器为非等间距曲折线圈lamb波电磁超声换能器，非等间距曲折线圈lamb波电磁超声换能器在等间距曲折线圈lamb波电磁超声换能器的基础上进行改进。
[0051]
参照图16、17，本实施例非等间距曲折线圈lamb波电磁超声换能器包括磁铁1、试件3和线圈2，磁铁1位于试件3上，磁铁1的数量为5块，5块磁铁1呈单列排布产生静磁场，所有磁铁1的极性都在竖直方向，两块相邻磁铁1的极性方向相反，每块磁铁1的高度为5mm，长度为40mm，宽度为5mm；试件3的厚度是2mm；线圈2位于磁铁1的下方，线圈2包括9根非等间距的导线4，从左至右给9根导线4按阿拉伯数字编号，编号奇数的导线4间间距为5mm，编号偶数的导线4间间距不固定，9根非等间距的导线4的排列方式定义为：将等间距曲折线圈lamb波电磁超声换能器的导线4排列方式进行调整，具体为将等间距曲折线圈lamb波电磁超声换能器的编号为奇数的导线4去掉，保留编号为偶数的导线4，作为1、3、5、7号导线，在等间距曲折线圈lamb波电磁超声换能器的水平磁场和竖直磁场相交的四个点处增加四根导线，作为2、4、6、8号导线，在最后一块磁铁1的末端下方增加一根导线，作为9号导线，1、2、5、6、9号导线的电流方向与3、4、7、8号导线的电流方向相反，本实施例中，1、2、5、6、9号导线的电流方向向外，3、4、7、8号导线的电流方向向内。
[0052]
由图18可知，两种lamb波电磁超声换能器都有五个峰值。等间距曲折线圈lamb波电磁超声换能器的前四个峰值中包含两个独立的小峰值，这是因为其曲折线圈的相邻导线间距较大。而非等间距曲折线圈lamb波电磁超声换能器的线圈中电流方向相同的相邻导线间距较小，因此只有单独的峰值。非等间距曲折线圈lamb波电磁超声换能器在试件表面产生的最大涡流密度比等间距曲折线圈lamb波电磁超声换能器在试件表面产生的涡流密度大约40％。
[0053]
由图19可知，a0和s0模式的lamb波的位置与选定工作点的波速相吻合。非等间距曲折线圈lamb波电磁超声换能器产生lamb波的a0和s0模式的信号幅值都要大于等间距曲折线圈lamb波电磁超声换能器产生的lamb波信号幅值。a0模式lamb波的面内和面外位移的具体提升为:
[0054][0055][0056]
这说明非等间距曲折线圈lamb波电磁超声换能器同样适用于lamb波emat的换能效率提升。但换能效率提升略低于rayleigh波。
[0057]
由于水平磁场更有利于rayleigh波和lamb波的激发，为提升曲折线圈电磁超声换能器换能效率，本发明在等间距曲折线圈电磁超声换能器的基础上，提出了一种非等间距曲折线圈电磁超声换能器，非等间距曲折线圈电磁超声换能器与等间距曲折线圈电磁超声换能器的磁铁配置保持一致，非等间距曲折线圈电磁超声换能器的设计思路是将更多的导线位于更强的水平磁场中。通过研究对比试件表面的涡流密度、洛伦兹力以及超声波幅值得到以下结论：
[0058]
(1)非等间距曲折线圈rayleigh波电磁超声换能器可将rayleigh波的换能效率提升约40％。
[0059]
(2)非等间距曲折线圈lamb波电磁超声换能器可将lamb波的换能效率提升34％。
[0060]
本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
[0061]
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。