發(fā)布時(shí)間：2020-08-09 22:20

【摘要】：現(xiàn)階段的超聲導(dǎo)波無損檢測(cè)大都以Lamb波為主,但Lamb波在傳播過程的頻散特性和模態(tài)轉(zhuǎn)換特性使回波信號(hào)的成分更加復(fù)雜,提高了數(shù)據(jù)處理的難度。而低模態(tài)的水平剪切波(SH波)由于在傳播過程中沒有頻散特性和模態(tài)轉(zhuǎn)換特性,在超聲導(dǎo)波無損檢測(cè)領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大的優(yōu)越性。本課題基于磁致伸縮材料的維德曼效應(yīng)提出一種激勵(lì)SH波的換能器模型,應(yīng)用磁致伸縮材料在適當(dāng)磁場(chǎng)的作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)形變的特性,以磁致伸縮材料為核心元件,向被測(cè)板材中激勵(lì)多方向性的SH波。本文闡述了板中Lamb波和SH波的激勵(lì)條件和傳播特性,說明了磁致伸縮材料的基本特性,尤其是維德曼效應(yīng)和麥修茨效應(yīng)的基本原理,對(duì)新型磁致伸縮換能器的磁路進(jìn)行了設(shè)計(jì),分析了該換能器激勵(lì)和接收SH波的工作原理。以一維坐標(biāo)系的焦耳效應(yīng)本構(gòu)方程為基礎(chǔ),在二維坐標(biāo)系中推導(dǎo)維德曼效應(yīng)的本構(gòu)方程,進(jìn)而計(jì)算出表述該新型換能器本構(gòu)模型的波動(dòng)方程。用有限元分析的方法對(duì)換能器激勵(lì)SH波的工作過程進(jìn)行仿真,優(yōu)化換能器的結(jié)構(gòu)參數(shù),驗(yàn)證該換能器正常工作的可行性。加工制作換能器的實(shí)體模型,提出實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)流程,選擇實(shí)驗(yàn)儀器并搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái),通過對(duì)采集處理過的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,判斷換能器接收到的超聲導(dǎo)波的模態(tài),確定該換能器能否成功激勵(lì)和接收SHO波。通過本課題的研究,計(jì)算推導(dǎo)出了磁致伸縮材料維德曼效應(yīng)的基本原理和本構(gòu)方程,初步證明了新型換能器實(shí)現(xiàn)工作要求的可行性,并通過有限元仿真和實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了本課題提出的新型換能器確實(shí)能夠有效激勵(lì)并接收SHO波。
【學(xué)位授予單位】：大連交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TH878
【圖文】：

逡逑１．２．３磁致伸縮超聲換能器的研究現(xiàn)狀逡逑２０世紀(jì)３０年代出現(xiàn)了以沖孔鎳片為材料的疊片型磁致伸縮換能器，如圖１．１所示，逡逑由于該換能器強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、功率容量大，迅速取代了當(dāng)時(shí)的郎之萬換能器。逡逑福面邐輻￥面逡逑＾邋？逡逑／邐輻射面邐偏置磁鐵逡逑（ａ）邐（ｂ）邐（ｃ）逡逑圖１．１傳統(tǒng)磁致伸縮超聲換能器示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍｓ邋ｏｆ邋ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ邋ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ邋ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ邋ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ逡逑之后又陸續(xù)出現(xiàn)了其它材料的磁致伸縮換能器，如鐵鈷合金、鐵鎳合金、鈷鎳合金逡逑等，其主要優(yōu)點(diǎn)是電阻率低、渦流損耗大等，如圖１．２所示。逡逑圖１．２用于超聲清洗的傳統(tǒng)磁致伸縮換能器逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ａ邋ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ邋ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ邋ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ邋ｆｏｒ邋ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ邋ｃｌｅａｎｉｎｇ逡逑４逡逑

轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，使得磁致伸縮換能器再次引起廣泛的關(guān)注。如今，稀土磁致伸縮材逡逑料已經(jīng)被應(yīng)用于水聲工程、精密加工、微型機(jī)電系統(tǒng)等領(lǐng)域。逡逑最早應(yīng)用Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ的換能器是如圖１．３所示的方環(huán)換能器，其驅(qū)動(dòng)元件是４根逡逑ｄ）６．３５ｍｍＸ５０ｍｍ的Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ棒，共振頻率可達(dá)２ｋＨｚ，該結(jié)構(gòu)換能器最早應(yīng)用于美國(guó)逡逑Ｇｏｕｌｄ公司和Ｒａｙｆｈｌｏｎ公司的商品水聽器中［３８＿４Ｑ］。逡逑圖１．３邋Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ方環(huán)換能器逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ａ邋Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ邋ｓｑｕａｒｅ邋ｒｉｎｇ邋ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ逡逑日本學(xué)者Ｗａｋｉｗａｋａ采用超磁致伸縮材料設(shè)計(jì)了如圖１．４所示的聲納換能器。該設(shè)逡逑計(jì)的振動(dòng)源采用８根Ｏ２０ｍｍＸ邋１２０ｍｍ的Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ棒，為保證超磁致伸縮棒處于線性逡逑工作區(qū)內(nèi)而在其上下各一塊永磁鐵提供偏置磁場(chǎng)，通過改變預(yù)緊彈簧的變形量調(diào)整超磁逡逑致伸縮棒的預(yù)緊力，該換能器的機(jī)電耦合系數(shù)在理論上可達(dá)０．７３，聲源信號(hào)可達(dá)１９２ｄＢ［４ｌＬ逡逑５逡逑

Ｌ超磁致伸縮棒螺線管邐＠３＋邋Ｉ逡逑國(guó)邋＂Ａ邐—＼逡逑１邐柱軸／永磁Ｉ逡逑圖１．４聲納換能器結(jié)構(gòu)圖逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ａ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ａ邋ｓｏｎａｒ邋ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ逡逑美國(guó)Ｅｔｒｅｍａ公司研發(fā)的ＣＵ１８Ａ磁致伸縮超聲換能器如圖１．５所示，其額定電壓逡逑２２０Ｖ，額定電流１０Ａ，通過通入４．１Ｘ１０５Ｐａ的冷空氣進(jìn)行風(fēng)冷冷卻，正常工作溫度逡逑０？１００°Ｃ，可承受的最高溫度為１５０°Ｃ，內(nèi)部有溫度保護(hù)裝置，使用頻率為１５？２０ｋＨｚ，逡逑最佳諧振頻率為１８ｋＨｚ，軸向載荷８５００Ｎ，輸出振幅為６？１０｜ｊｍ；該換能器主要用于超逡逑聲焊頭驅(qū)動(dòng)、微位移定位等領(lǐng)域。逡逑ｔｉ—Ｗ１逡逑圖１．５邋ＣＵ１８Ａ型磁致伸縮超聲換能器逡逑Ｆｉｇ．邋１．５邋Ａ邋ＣＵ１８Ａ邋ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ邋ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ邋ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ逡逑之后，Ｅｔｒｅｍａ公司又研發(fā)出一種頻率為２０ｋＨｚ、連續(xù)工作狀態(tài)下最大功率可達(dá)６ｋＷ逡逑的超磁致伸縮超聲換能器４２］；并與美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（ＮＩＳＴ）合作研發(fā)出頻率逡逑為２５ｋＨｚ、功率為２５ｋＷ的超聲換能器。逡逑６逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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1 張永生;黃松嶺;趙偉;王s

本文編號(hào)：2787634