[发明专利]电磁超声表面波接收换能器设计方法

摘要

本发明涉及一种电磁超声表面波接收换能器的设计方法。本发明为了解决现有电磁超声表面波接收换能器设计中接收噪声强以及加工复杂的问题。主要步骤：建立各构件的几何模型；设定材料属性；划分物理场求解区域；结构场参数设定；电磁场参数设定；有限元分网及有限元求解；计算不同参数接收线圈中的感应电压信号；最终完成电磁超声表面波接收换能器的设计。本实施方式所述电磁超声表面波接收换能器设计方法，实现所述设计方法需要对电磁超声表面波换能器接收过程进行建模求解，对电磁超声表面波接收过程进行完整准确的描述，分析不同电磁超声换能器参数对接收信号强度的影响，从而获得最优的换能器参数组合。

主权项

一种电磁超声表面波接收换能器设计方法，所述设计方法是基于包括永磁体(1)、电磁超声表面波换能器接收线圈(2)、待测金属试件(3)、细化层(4)和空气远场(5)的换能器模型来进行的，所述电磁超声表面波换能器接收线圈(2)为曲折线圈结构，采用漆包线(2‑1)在骨架(2‑2)上绕制而成，用来接收金属试件(3)中的表面超声振动；所述待测金属试件(3)厚度大于(4)倍超声表面波波长；所述细化层(4)位于接收线圈(2)下方金属试件(3)内；其特征在于：所述设计方法的具体过程为：步骤一、定义建模所需要的换能器参数，所述参数包括漆包线(2‑1)直径d，骨架(2‑2)中槽的宽度w和高度h，骨架(2‑2)每槽中漆包线(2‑1)绕的单层数目n和层数l；步骤二、建立包括永磁体(1)、电磁超声表面波换能器接收线圈(2)、金属试件(3)、细化层(4)和空气远场(5)的几何模型，保证接收线圈(2)和金属试件(3)之间有一定的提离距离；步骤三、设定材料属性：永磁体(1)设定为磁性材料；电磁超声表面波换能器接收线圈(2)设定为漆包线；金属试件(3)设定为待测金属材料；细化层(4)设定为待测金属材料；空气远场(5)设定为空气；步骤四、划分物理场求解区域；所述的物理场包括电磁超声换能器接收过程中涉及的两个物理场——结构场和电磁场；所述的结构场求解区域包括金属试件(3)和细化层(4)；所述的电磁场求解区域包括永磁体(1)、电磁超声表面波换能器接收线圈(2)、金属试件(3)、细化层(4)和空气远场(5)；步骤五、结构场参数设定；所述金属试件(3)和细化层(4)的边界为自由边界；所述金属试件(3)和细化层(4)的初始位移和初始速度均为0；在所述金属试件(3)的上表面的P处施加高斯分布载荷力信号；载荷力在金属试件(3)中激发出表面波；步骤六、电磁场参数设定；所述永磁体(1)、电磁超声表面波换能器接收线圈(2)、金属试件(3)、细化层(4)和空气远场(5)初始磁矢位为0；所述永磁体(1)垂直方向充磁；所述细化层(4)为结构场和电磁场耦合区域，即结构场的表面波振动切割磁力线在接收线圈(2)中感应出电压信号；步骤七、有限元分网：所述永磁体(1)、电磁超声表面波换能器接收线圈(2)、金属试件(3)、细化层(4)和空气远场(5)采用四面体单元进行分网；所述细化层(4)分网时进行网格细化，增加模型计算精度；步骤八、有限元求解：所述结构场和电磁场采用有限元方法求解，计算金属试件(3) 表面载荷力在接收线圈(2)中引起的感应电压信号；步骤九、改变接收线圈(2)参数，主要参数包括漆包线(2‑1)直径d，骨架(2‑2)中槽的宽度w和高度h，骨架(2‑2)每槽中漆包线(2‑1)绕的单层数目n和层数l，重复步骤二至步骤八，从而获得不同参数接收线圈(2)中的感应电压信号；步骤十、利用步骤九获得的离散数据，拟合出各不同参数的接收线圈(2)与对应的电磁超声表面波换能器接收电压信号的关系曲线，根据需要利用所述关系曲线对电磁超声表面波接收换能器进行设计；最终完成电磁超声表面波接收换能器的设计。