為提高超聲Lamb波信號強(qiáng)度,對磁致伸縮貼片換能器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。在磁致伸縮貼片徑向開狹縫的同時(shí)采用雙面激勵(lì)的方式使鋁板內(nèi)產(chǎn)生單一模態(tài)Lamb波,對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析并結(jié)合仿真驗(yàn)證;利用COMSOL仿真磁致伸縮貼片換能器在鋁板內(nèi)激勵(lì)Lamb波的過程,得到優(yōu)化前后磁致伸縮貼片附近磁場強(qiáng)度、上下表面電流密度,以及鋁板應(yīng)變;以鋁板內(nèi)質(zhì)點(diǎn)位移作為Lamb波信號強(qiáng)度的評判標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)果表明:利用優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)對鋁板雙面激勵(lì)可以使質(zhì)點(diǎn)位移增加68.4%;相比于結(jié)構(gòu)未優(yōu)化時(shí),在雙面激勵(lì)的條件下,將磁致伸縮貼片徑向開狹縫,可有效增加輸出信號,并且可以得到單一模態(tài)Lamb波。 

【文章來源】：應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào). 2020,37(05)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

磁致伸縮貼片換能器雙面激勵(lì)工作模型Fig.1Double-sidesexcitationmodelofmagnetostrictionpatchtransducer

SOL磁場與固體力學(xué)場模擬磁致伸縮貼片換能器結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后，通過雙面激勵(lì)產(chǎn)生單一S0模態(tài)Lamb波的工作過程。2磁致伸縮貼片換能器工作機(jī)理2.1磁致伸縮貼片換能器工作模型在本項(xiàng)研究中，利用雙面激勵(lì)產(chǎn)生單一模態(tài)Lamb波。如圖1所示，磁致伸縮貼片換能器主要元件有永磁鐵、通電線圈、磁致伸縮貼片。磁致伸縮貼片上表面鋪設(shè)提供動(dòng)態(tài)磁場的通電線圈，下表面與鋁板耦合，提供靜態(tài)磁場的永磁鐵置于線圈正上方，鋁板正反兩側(cè)相同位置布置相同的磁致伸縮貼片換能器達(dá)到雙面激勵(lì)效果。結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式如圖2所示，在磁致伸縮貼片徑向開狹縫，使感生渦流通至被測鋁板表面，靜態(tài)磁場的存在使鋁板中產(chǎn)生洛倫茲力；同時(shí)，鋁板表面的感生磁場也增強(qiáng)了磁致伸縮貼片的變形。將結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的磁致伸縮貼片換能器置于被測鋁板兩面相同位置。圖1磁致伸縮貼片換能器雙面激勵(lì)工作模型Fig.1Double-sidesexcitationmodelofmagnetostrictionpatchtransducer圖2磁致伸縮貼片形狀優(yōu)化方式Fig.2Shapeoptimizationofmagnetostrictionpatch2.2徑向狹縫對磁致伸縮貼片的作用如圖3所示，磁致伸縮貼片換能器中通電線圈貼合在與被測鋁板耦合的磁致伸縮貼片上表面，線圈上方放置提供靜態(tài)磁場的永磁鐵。當(dāng)線圈通入順時(shí)針方向初始電流J0，根據(jù)右手定則可知，通電線圈周圍產(chǎn)生動(dòng)態(tài)磁場H1。為阻止H1的增加，磁致伸縮貼片上表面會產(chǎn)生逆時(shí)針方向感應(yīng)渦流J1。當(dāng)通電線圈置于磁致伸縮貼片上方，線圈通電后產(chǎn)生的感應(yīng)渦流僅存在于上表面。由于渦流和磁場在貼片表面局部感應(yīng)，變形發(fā)生在上表面趨膚深度附近，導(dǎo)致輸出信號強(qiáng)度弱，在有周圍環(huán)境干擾的狀態(tài)下不易識別損傷。如果單純通過升高電壓提高輸入電流?

致伸縮貼片換能器達(dá)到雙面激勵(lì)效果。結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式如圖2所示，在磁致伸縮貼片徑向開狹縫，使感生渦流通至被測鋁板表面，靜態(tài)磁場的存在使鋁板中產(chǎn)生洛倫茲力；同時(shí)，鋁板表面的感生磁場也增強(qiáng)了磁致伸縮貼片的變形。將結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的磁致伸縮貼片換能器置于被測鋁板兩面相同位置。圖1磁致伸縮貼片換能器雙面激勵(lì)工作模型Fig.1Double-sidesexcitationmodelofmagnetostrictionpatchtransducer圖2磁致伸縮貼片形狀優(yōu)化方式Fig.2Shapeoptimizationofmagnetostrictionpatch2.2徑向狹縫對磁致伸縮貼片的作用如圖3所示，磁致伸縮貼片換能器中通電線圈貼合在與被測鋁板耦合的磁致伸縮貼片上表面，線圈上方放置提供靜態(tài)磁場的永磁鐵。當(dāng)線圈通入順時(shí)針方向初始電流J0，根據(jù)右手定則可知，通電線圈周圍產(chǎn)生動(dòng)態(tài)磁場H1。為阻止H1的增加，磁致伸縮貼片上表面會產(chǎn)生逆時(shí)針方向感應(yīng)渦流J1。當(dāng)通電線圈置于磁致伸縮貼片上方，線圈通電后產(chǎn)生的感應(yīng)渦流僅存在于上表面。由于渦流和磁場在貼片表面局部感應(yīng)，變形發(fā)生在上表面趨膚深度附近，導(dǎo)致輸出信號強(qiáng)度弱，在有周圍環(huán)境干擾的狀態(tài)下不易識別損傷。如果單純通過升高電壓提高輸入電流的方式增強(qiáng)輸出信號強(qiáng)度，會對設(shè)備產(chǎn)生不必要的負(fù)擔(dān)。如圖3所示，貼片下表面與鋁板耦合，在貼片徑向開狹縫，貼片上表面感應(yīng)渦流會隨狹縫流至貼片下表面，再通過狹縫自貼片下表面流回上表面形成閉合回路。圖3顯示了磁致伸縮貼片上表面和下表面上的渦流J1、J2，鋁板表面產(chǎn)生的感生渦流J3，以及貼片上表面由J0引起的感生磁場H1、由J3引起的感生磁場H2。在開狹縫之前，只有貼片上表面附近存在動(dòng)態(tài)磁場，開狹縫后感生渦?

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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