基于维德曼效应激励SH波的磁致伸缩换能器的研究
发布时间：2020-08-09 22:20
【摘要】：现阶段的超声导波无损检测大都以Lamb波为主,但Lamb波在传播过程的频散特性和模态转换特性使回波信号的成分更加复杂,提高了数据处理的难度。而低模态的水平剪切波(SH波)由于在传播过程中没有频散特性和模态转换特性,在超声导波无损检测领域表现出巨大的优越性。本课题基于磁致伸缩材料的维德曼效应提出一种激励SH波的换能器模型,应用磁致伸缩材料在适当磁场的作用下发生扭转形变的特性,以磁致伸缩材料为核心元件,向被测板材中激励多方向性的SH波。本文阐述了板中Lamb波和SH波的激励条件和传播特性,说明了磁致伸缩材料的基本特性,尤其是维德曼效应和麦修茨效应的基本原理,对新型磁致伸缩换能器的磁路进行了设计,分析了该换能器激励和接收SH波的工作原理。以一维坐标系的焦耳效应本构方程为基础,在二维坐标系中推导维德曼效应的本构方程,进而计算出表述该新型换能器本构模型的波动方程。用有限元分析的方法对换能器激励SH波的工作过程进行仿真,优化换能器的结构参数,验证该换能器正常工作的可行性。加工制作换能器的实体模型,提出实验目的和实验流程,选择实验仪器并搭建实验台,通过对采集处理过的实验数据进行分析,判断换能器接收到的超声导波的模态,确定该换能器能否成功激励和接收SHO波。通过本课题的研究,计算推导出了磁致伸缩材料维德曼效应的基本原理和本构方程,初步证明了新型换能器实现工作要求的可行性,并通过有限元仿真和实验研究验证了本课题提出的新型换能器确实能够有效激励并接收SHO波。
【学位授予单位】：大连交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH878
【图文】：
逡逑１．２．３磁致伸缩超声换能器的研究现状逡逑２０世纪３０年代出现了以冲孔镍片为材料的叠片型磁致伸缩换能器，如图１．１所示，逡逑由于该换能器强度高、稳定性好、功率容量大，迅速取代了当时的郎之万换能器。逡逑福面逦辐￥面逡逑＾邋？逡逑／逦辐射面逦偏置磁铁逡逑（ａ）逦（ｂ）逦（ｃ）逡逑图１．１传统磁致伸缩超声换能器示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍｓ邋ｏｆ邋ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ邋ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ邋ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ邋ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ逡逑之后又陆续出现了其它材料的磁致伸缩换能器，如铁钴合金、铁镍合金、钴镍合金逡逑等，其主要优点是电阻率低、涡流损耗大等，如图１．２所示。逡逑图１．２用于超声清洗的传统磁致伸缩换能器逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ａ邋ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ邋ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ邋ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ邋ｆｏｒ邋ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ邋ｃｌｅａｎｉｎｇ逡逑４逡逑
转换效率高等优点，使得磁致伸缩换能器再次引起广泛的关注。如今，稀土磁致伸缩材逡逑料已经被应用于水声工程、精密加工、微型机电系统等领域。逡逑最早应用Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ的换能器是如图１．３所示的方环换能器，其驱动元件是４根逡逑ｄ）６．３５ｍｍＸ５０ｍｍ的Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ棒，共振频率可达２ｋＨｚ，该结构换能器最早应用于美国逡逑Ｇｏｕｌｄ公司和Ｒａｙｆｈｌｏｎ公司的商品水听器中［３８＿４Ｑ］。逡逑图１．３邋Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ方环换能器逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ａ邋Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ邋ｓｑｕａｒｅ邋ｒｉｎｇ邋ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ逡逑日本学者Ｗａｋｉｗａｋａ采用超磁致伸缩材料设计了如图１．４所示的声纳换能器。该设逡逑计的振动源采用８根Ｏ２０ｍｍＸ邋１２０ｍｍ的Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ棒，为保证超磁致伸缩棒处于线性逡逑工作区内而在其上下各一块永磁铁提供偏置磁场，通过改变预紧弹簧的变形量调整超磁逡逑致伸缩棒的预紧力，该换能器的机电耦合系数在理论上可达０．７３，声源信号可达１９２ｄＢ［４ｌＬ逡逑５逡逑
Ｌ超磁致伸缩棒螺线管逦＠３＋邋Ｉ逡逑国邋＂Ａ逦—＼逡逑１逦柱轴／永磁Ｉ逡逑图１．４声纳换能器结构图逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ａ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ａ邋ｓｏｎａｒ邋ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ逡逑美国Ｅｔｒｅｍａ公司研发的ＣＵ１８Ａ磁致伸缩超声换能器如图１．５所示，其额定电压逡逑２２０Ｖ，额定电流１０Ａ，通过通入４．１Ｘ１０５Ｐａ的冷空气进行风冷冷却，正常工作温度逡逑０？１００°Ｃ，可承受的最高温度为１５０°Ｃ，内部有温度保护装置，使用频率为１５？２０ｋＨｚ，逡逑最佳谐振频率为１８ｋＨｚ，轴向载荷８５００Ｎ，输出振幅为６？１０｜ｊｍ；该换能器主要用于超逡逑声焊头驱动、微位移定位等领域。逡逑ｔｉ—Ｗ１逡逑图１．５邋ＣＵ１８Ａ型磁致伸缩超声换能器逡逑Ｆｉｇ．邋１．５邋Ａ邋ＣＵ１８Ａ邋ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ邋ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ邋ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ逡逑之后，Ｅｔｒｅｍａ公司又研发出一种频率为２０ｋＨｚ、连续工作状态下最大功率可达６ｋＷ逡逑的超磁致伸缩超声换能器４２］；并与美国国家标准与技术研究院（ＮＩＳＴ）合作研发出频率逡逑为２５ｋＨｚ、功率为２５ｋＷ的超声换能器。逡逑６逡逑
【学位授予单位】：大连交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH878
【图文】：
逡逑１．２．３磁致伸缩超声换能器的研究现状逡逑２０世纪３０年代出现了以冲孔镍片为材料的叠片型磁致伸缩换能器，如图１．１所示，逡逑由于该换能器强度高、稳定性好、功率容量大，迅速取代了当时的郎之万换能器。逡逑福面逦辐￥面逡逑＾邋？逡逑／逦辐射面逦偏置磁铁逡逑（ａ）逦（ｂ）逦（ｃ）逡逑图１．１传统磁致伸缩超声换能器示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍｓ邋ｏｆ邋ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ邋ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ邋ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ邋ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ逡逑之后又陆续出现了其它材料的磁致伸缩换能器，如铁钴合金、铁镍合金、钴镍合金逡逑等，其主要优点是电阻率低、涡流损耗大等，如图１．２所示。逡逑图１．２用于超声清洗的传统磁致伸缩换能器逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ａ邋ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ邋ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ邋ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ邋ｆｏｒ邋ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ邋ｃｌｅａｎｉｎｇ逡逑４逡逑
转换效率高等优点，使得磁致伸缩换能器再次引起广泛的关注。如今，稀土磁致伸缩材逡逑料已经被应用于水声工程、精密加工、微型机电系统等领域。逡逑最早应用Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ的换能器是如图１．３所示的方环换能器，其驱动元件是４根逡逑ｄ）６．３５ｍｍＸ５０ｍｍ的Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ棒，共振频率可达２ｋＨｚ，该结构换能器最早应用于美国逡逑Ｇｏｕｌｄ公司和Ｒａｙｆｈｌｏｎ公司的商品水听器中［３８＿４Ｑ］。逡逑图１．３邋Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ方环换能器逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ａ邋Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ邋ｓｑｕａｒｅ邋ｒｉｎｇ邋ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ逡逑日本学者Ｗａｋｉｗａｋａ采用超磁致伸缩材料设计了如图１．４所示的声纳换能器。该设逡逑计的振动源采用８根Ｏ２０ｍｍＸ邋１２０ｍｍ的Ｔｅｒｆｅｎｏｌ－Ｄ棒，为保证超磁致伸缩棒处于线性逡逑工作区内而在其上下各一块永磁铁提供偏置磁场，通过改变预紧弹簧的变形量调整超磁逡逑致伸缩棒的预紧力，该换能器的机电耦合系数在理论上可达０．７３，声源信号可达１９２ｄＢ［４ｌＬ逡逑５逡逑
Ｌ超磁致伸缩棒螺线管逦＠３＋邋Ｉ逡逑国邋＂Ａ逦—＼逡逑１逦柱轴／永磁Ｉ逡逑图１．４声纳换能器结构图逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋Ａ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ａ邋ｓｏｎａｒ邋ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ逡逑美国Ｅｔｒｅｍａ公司研发的ＣＵ１８Ａ磁致伸缩超声换能器如图１．５所示，其额定电压逡逑２２０Ｖ，额定电流１０Ａ，通过通入４．１Ｘ１０５Ｐａ的冷空气进行风冷冷却，正常工作温度逡逑０？１００°Ｃ，可承受的最高温度为１５０°Ｃ，内部有温度保护装置，使用频率为１５？２０ｋＨｚ，逡逑最佳谐振频率为１８ｋＨｚ，轴向载荷８５００Ｎ，输出振幅为６？１０｜ｊｍ；该换能器主要用于超逡逑声焊头驱动、微位移定位等领域。逡逑ｔｉ—Ｗ１逡逑图１．５邋ＣＵ１８Ａ型磁致伸缩超声换能器逡逑Ｆｉｇ．邋１．５邋Ａ邋ＣＵ１８Ａ邋ｍａｇｎｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ邋ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ邋ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ逡逑之后，Ｅｔｒｅｍａ公司又研发出一种频率为２０ｋＨｚ、连续工作状态下最大功率可达６ｋＷ逡逑的超磁致伸缩超声换能器４２］；并与美国国家标准与技术研究院（ＮＩＳＴ）合作研发出频率逡逑为２５ｋＨｚ、功率为２５ｋＷ的超声换能器。逡逑６逡逑
【参考文献】
相关期刊论文 前10条
1 张永生;黄松岭;赵伟;王s
本文编号：2787634
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