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第1章 电磁超声换能器1

1.1 概述1

1.2 EMAT的研究现状2

1.2.1 EMAT的结构2

1.2.2 EMAT换能机理及分析方法4

1.3 EMAT的优化设计及其新型结构7

1.3.1 回折线圈的优化设计7

1.3.2 多簇线圈轴向导波EMAT15

1.3.3 用于非铁磁材料检测的SH导波EMAT24

1.3.4 EMAT阻抗匹配电容的计算27

第2章 基于洛伦兹力机理的EMAT分析方法30

2.1 基于洛伦兹力机理EMAT的多场耦合方程30

2.1.1 永磁体的磁场方程30

2.1.2 脉冲涡流动态磁场方程31

2.1.3 被测试样质点平衡运动方程32

2.1.4 超声信号接收方程33

2.2 耦合场方程的弱形式33

2.2.1 二维直角坐标下耦合方程的弱形式33

2.2.2 轴对称坐标系下耦合方程的弱形式35

2.3 基于COMSOL Multiphysics的EMAT有限元仿真37

2.3.1 采用COMSOLMultiphysics进行EMAT仿真计算的步骤37

2.3.2 数值仿真计算实例与试验验证38

2.4 螺旋形线圈EMAT的解析建模与计算46

2.4.1 螺旋形线圈EMAT的结构46

2.4.2 频域求解47

2.4.3 时域解52

2.4.4 结果比较及讨论52

2.5 回折形线圈EMAT的解析建模与计算56

2.5.1 线圈结构及等效模型56

2.5.2 线圈阻抗和磁场的频域计算57

2.5.3 脉冲磁场的时域计算63

2.5.4 计算实例及结果比较63

2.6 脉冲电压激励下EMAT的分析方法67

2.6.1 采用解析公式计算脉冲电流67

2.6.2 采用场路耦合有限元方法计算脉冲电流67

2.6.3 采用场路耦合有限元法实现线圈电流计算的实例69

第3章 基于磁致伸缩机理的EMAT分析方法71

3.1 铁磁材料的磁化和磁致伸缩特性71

3.1.1 铁磁材料的磁化特性和磁导率71

3.1.2 铁磁材料的磁致伸缩特性72

3.2 基于磁致伸缩机理EMAT的有限元分析方法74

3.2.1 基本物理方程74

3.2.2 二维直角坐标下磁致伸缩力和磁致伸缩电流密度的计算76

3.2.3 轴对称坐标下磁致伸缩力和磁致伸缩电流密度的计算78

3.2.4 压磁系数的确定80

3.2.5 基于磁致伸缩机理EMAT的数值仿真计算84

3.3 SH导波EMAT的解析建模和计算92

3.4 管道轴向导波EMAT的解析建模与计算96

3.4.1 δ线圈矢量磁位96

3.4.2 矩形截面线圈的矢量磁位99

3.4.3 线圈阻抗、涡流和磁感应强度100

3.4.4 仅考虑一层导体的情况101

3.4.5 管道轴向导波EMAT中的磁弹性关系103

3.4.6 T模式导波的脉冲磁场计算103

第4章 平板和管道周向超声导波的传播特性106

4.1 平板Lamb波的频散特性和波结构特性106

4.1.1 平板Lamb波的频散特性107

4.1.2 平板Lamb波的波结构特性108

4.2 平板SH导波的频散特性和波结构特性110

4.2.1 平板SH导波的频散特性110

4.2.2 平板SH导波的波结构特性111

4.3 管道周向Lamb波的频散特性和波结构特性112

4.3.1 管道周向Lamb波的频散方程及其求解112

4.3.2 管道周向Lamb波的波结构特性116

4.4 管道周向SH导波的频散特性和波结构特性120

4.4.1 管道周向SH导波的频散方程及其求解120

4.4.2 管道周向SH导波波结构特性123

4.5 平板导波与管道周向导波传播特性比较126

第5章 超声导波与缺陷作用的边界元仿真128

5.1 平板外表面缺陷混合边界元模型128

5.2 弹性动力积分方程及其基础解129

5.3 边界积分方程及其离散化数值求解130

5.3.1 矩阵G中元素的求解132

5.3.2 矩阵H中元素的求解134

5.4 基于模式展开的边界条件建立135

5.5 边界元程序的结构141

5.6 计算精度的影响因素143

5.6.1 模型长度的扫查143

5.6.2 边界单元大小的扫查146

5.7 板端反射的计算147

5.8 平板外表面缺陷仿真149

5.8.1 平板外表面裂纹缺陷深度扫查150

5.8.2 平板外表面裂纹缺陷宽度扫查152

5.8.3 平板外表面裂纹缺陷频厚积扫查152

5.9 平板内部裂纹缺陷模型和数值仿真154

5.9.1 平板对称内部裂纹缺陷高度扫查155

5.9.2 平板内部裂纹缺陷宽度扫查156

5.9.3 平板内部裂纹缺陷频厚积扫查158

5.9.4 平板内部裂纹缺陷在板厚方向移动的扫查160

5.10 电磁超声导波检测裂纹量化方法161

第6章 超声导波的有限元仿真167

6.1 显式积分有限元方法167

6.2 平板Lamb波的有限元仿真168

6.2.1 弹性平板中Lamb波方程的建立168

6.2.2 平板Lamb波有限元仿真方法169

6.2.3 平板Lamb波仿真算例172

6.3 管道周向Lamb波的有限元仿真175

6.3.1 管道周向Lamb波频散方程的建立175

6.3.2 管道周向Lamb波有限元仿真方法178

6.3.3 管道周向Lamb波仿真算例179

6.4 管道轴向L类型导波的有限元仿真186

6.5 管道轴向T类型导波的有限元仿真189

第7章 电磁超声导波检测技术的应用192

7.1 电磁超声测厚192

7.1.1 电磁超声测厚原理192

7.1.2 电磁超声测厚装置结构193

7.1.3 电磁超声测厚装置硬件电路193

7.1.4 电磁超声测厚回波信号分析和处理195

7.2 管道轴向电磁超声导波检测197

7.2.1 管道轴向超声导波电磁超声换能器197

7.2.2 电磁超声激励源和滤波放大器200

7.2.3 电磁超声轴向导波检测实验及其影响因素201

7.3 天然气管道裂纹电磁超声导波检测209

7.3.1 检测器总体结构209

7.3.2 相关检测实验211

参考文献213