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作者特稿|横波电磁超声相控阵换能器的设计

发布日期:2021-08-09 05:46

本文摘要:哈尔滨工业大学电器与电子可靠性研究所、哈尔滨零声科技有限公司的研究人员翟国富、梁宝、贾文斌、杨金旭、汪开灿,在2019年第7期《电工技术学报》上撰文《横波电磁超声相控阵换能器设计》。针对横波电磁超声相控阵换能器声场漫衍特征不明确的问题,接纳有限元方法仿真分析了差别换能器设计参数下横波声束偏转特征变化纪律,并对仿真模型有效性举行了实验验证,最后提出了横波电磁超声相控阵换能器设计方法。该方法对横波电磁超声相控阵换能器设计具有一定的指导作用。

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哈尔滨工业大学电器与电子可靠性研究所、哈尔滨零声科技有限公司的研究人员翟国富、梁宝、贾文斌、杨金旭、汪开灿,在2019年第7期《电工技术学报》上撰文《横波电磁超声相控阵换能器设计》。针对横波电磁超声相控阵换能器声场漫衍特征不明确的问题,接纳有限元方法仿真分析了差别换能器设计参数下横波声束偏转特征变化纪律,并对仿真模型有效性举行了实验验证,最后提出了横波电磁超声相控阵换能器设计方法。该方法对横波电磁超声相控阵换能器设计具有一定的指导作用。

研究配景电磁超声相控阵技术联合了电磁超声技术非接触检测优势和相控阵技术准确控制声束偏转和聚焦特点,故具有辽阔的应用前景。现在,电磁超声相控阵技术尚处于起步阶段,限制其生长的因素主要包罗:电磁超声相控阵换能器声场漫衍特征不明确、换能器设计方法研究不足等。

因此,有须要明确换能器差别设计参数下声场漫衍变化纪律,进而指导电磁超声相控阵换能器设计。论文所解决问题及意义本文针对横波电磁超声相控阵换能器声场漫衍特征不明确的问题,接纳有限元方法建设电磁超声相控阵换能器二维多物理场模型,仿真分析差别换能器设计参数下横波声束偏转特征变化纪律,据此提出横波电磁超声相控阵换能器设计方法。其中,仿真分析的设计参数包罗:阵元宽度、激励频率、阵元间距和偏转角度。参照文中所得结论,能够为横波电磁超声相控阵换能器设计提供快速和准确的指导。

论文方法及创新点1 单阵元电磁超声换能器声场漫衍特征本文接纳有限元软件Comsol Multiphysics建模和仿真分析单阵元电磁超声发射历程中声场漫衍。单阵元电磁超声换能器声场指向性效果如图1所示。

图1a和图1b划分为差别频率和差别线宽时,横波电磁超声声场漫衍的统一归一化仿真效果。凭据图1中仿真效果,本文接纳0.2mm线宽设计横波EMAT相控阵换能器。图1 单阵元电磁超声换能器声场漫衍2 横波电磁超声相控阵换能器阵元间距选择在EMAT相控阵换能器设计中,阵元间距是需要思量的关键设计参数。

大的阵元间距能够提高相控换能器声束指向性,而过大的阵元间距可能引起栅瓣发生,为只管削弱栅瓣影响,恰当的阵元间距设计显得尤为重要。差别阵元间距下,横波电磁超声相控阵换能器声场指向性的统一归一化仿真效果,如图2所示。由图2可知,随着阵元间距的增加,主瓣宽度减小,说明增大阵元间距能够提高横波EMAT相控阵声束指向性;然而,随着阵元间距增大,栅瓣峰值与主瓣峰值的比值逐渐增大。

故本文接纳0.7λ~0.8λ阵元间距设计横波EMAT相控阵。图2 差别阵元间距下横波电磁超声相控阵换能器声场指向性效果3 电磁超声相控阵换能器声束偏转角度控制本节目的是明确横波EMAT相控阵换能器在差别偏转角度下声束偏转特征变化纪律。

差别偏转角度下,横波声场指向性信息如表1所示(N = 8, f = 4 MHz, w = 0.2 mm, d = λ/2)。由表1可知,为保证设计偏转角度与仿真获得的偏转角度基本一致,横波电磁超声相控阵换能器的设计偏转角度应控制在±35o规模内。表1 差别偏转角度下横波声场指向性信息4 实验验证本文实验验证了仿真模型盘算效果的正确性和有效性,如图3和图4所示。图3 电磁超声相控阵实验平台图4 仿真与实验效果对比结论1)单阵元EMAT的横波幅值随频率升高而逐渐下降,而横波位移漫衍基本不受频率变化影响。

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2)线宽对横波EMAT位移漫衍影响显着,当线宽 ≤ 0.2mm时,横波在±35o规模内位移漫衍平稳,而当线宽 > 0.2mm时,横波能量朝向0o位置聚集。思量到平稳的位移漫衍更有利于保证相控换能器缺陷检测精度,故接纳0.2mm线宽设计横波电磁超声相控阵换能器。

3)虽然已有文献提出了用于消除栅瓣的最大阵元间距盘算公式,但还不足以指导EMAT相控阵的阵元间距设计。综合思量阵元间距对横波EMAT相控换能器的主瓣宽度和栅瓣峰值影响情况,建议接纳0.7λ~0.8λ阵元间距设计横波EMAT相控阵。4)在±35o规模内,横波EMAT相控阵的设计偏转角度与仿真获得的偏转角度基本一致,随着角度的增大,设计偏转角度与仿真获得的偏转角度误差逐渐增大。故横波EMAT相控阵的设计偏转角度应控制在±35o规模内。

引用本文翟国富, 梁宝, 贾文斌, 杨金旭, 汪开灿. 横波电磁超声相控阵换能器设计[J]. 电工技术学报, 2019, 34(07): 1441-1448. Zhai Guofu, Liang Bao, Jia Wenbin, Yang Jinxu, Wang Kaican. Design of the shear wave electromagnetic ultrasonic phased array transducer[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(07): 1441-1448.团队先容哈尔滨工业大学电器与电子可靠性研究所翟国富团队,现在有教师11人,在校博土和硕士研究生40余人,博士后2人,外聘40余人。教师中,教授5人、副教授5人、讲师1人。研究偏向包罗:1、电器基础理论(电弧、电接触、电磁机构、发烧、电动力)与技术;2、多物理场耦合建模与虚拟样机技术;3、电器与电子系统全寿命周期可靠性(力学、热学、电磁兼容、空间辐照等)设计理论与技术;4、电器与电子系统可测性设计与康健治理;5、电磁超声无损检测技术;6、产物质量一致性稳健设计与先进制造技术。研究所一直以国际前沿学术问题、国家重大需求为牵引,面向国民经济主战场,以企业技术难题和行业共性技术问题为导向,驻足航天、航空(电器与电子系统),将产、学、研、用有机联合,完成或在研国家自然科学基金、国家863计划、国防基础科研、军委装备生长部预研和质量工程、火箭戎衣备部型号研制等科研课题80多项,揭晓学术论文400余篇(其中SCI和EI收录200余篇)、授权发现专利80余项,荣获国家科技进步二等奖1项、省部级科技进步奖5项。

研究所连续资助30余家企业解决专业技术难题,互助企业包罗航天一六五厂、国营第八九ー厂、国营第七九ニ厂、贵航电器、厦门宏发(全球最大的继电器生产厂)、中航光电(海内最大的毗连器生产厂)等航天、航空继电器毗连器生产企业,以及沈阳铁路信号公司、宁波天波港联电子公司等民用继电器生产企业。提练的行业共性基础技术正在向全国推广应用。

自2011年开始先后同国营第八九ー厂、厦门宏发、中航光电等十余家生产企业建立了团结研发中心。零声科技有限公司专注于工业检测设备开发和检测技术服务。公司集电磁超声换能器设计、控制与处置惩罚系统、智能算法等关键技术于一体,开展便携式工业检测专用仪器、基于物联网和大数据的工业设备伤损在线监测、在线自动化检测产物开发和服务。

产物应用领域包罗:石油石化行业的管道、高压容器、大型储罐等,钢铁行业的钢板、钢管、型材生产线自动化检测等。团队源于哈尔滨工业大学,从事该领域技术研发十余年,专利30余项。

2018年零声科技获得中国创新创业大赛先进制造行业优秀企业、并获得遐想创投战略投资。


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