【技术实现步骤摘要】
高温电磁超声换能器的多物理场
‑
电路协同模拟系统及方法
[0001]本专利技术属于超声换能器
，涉及一种高温电磁超声换能器的多物理场
‑
电路协同模拟系统
。
技术介绍
[0002]基于电磁超声技术的高温金属材料检测核心是高温电磁超声换能器
(EMAT)
设计
。
高温检测中，
EMAT
和被测试件的物理参数会发生改变，这主要会产生以下问题：
①
不同温度下，被测试件的电导率
、
磁导率
、
杨氏模量
、
泊松比
、
密度会发生变化，导致多物理场计算中
EMAT
换能效率发生改变；
②
不同温度下，
EMAT
的电导率和磁导率不同，导致
EMAT
外电路输出功率分配特性发生改变
。
这些问题产生原因是
EMAT
在对高温金属材料检测时，伴随着电
‑
磁
‑
力
‑
声
‑
热多物理场之间的相互作用以及与外电路之间的相互作用
。
上述问题将直接降低高温
EMAT
优化设计水平
。
[0003]仿真计算有助于更好地分析高温
EMAT
多物理场
‑
电路之间的相互作用，是优化设计高温
EMAT
的重...
【技术保护点】
【技术特征摘要】 【专利技术属性】
1.
高温电磁超声换能器的多物理场
‑
电路协同模拟系统，其特征在于，包括
EMAT
外电路计算模块
、EMAT
电磁场计算模块
、EMAT
声场计算模块和
EMAT
热场计算模块；
EMAT
外电路计算模块：根据
EMAT
线圈阻抗参数计算得到
EMAT
线圈激励电流波形；
EMAT
热场计算模块：计算随温度变化的电导率
、
磁导率
、
密度
、
杨氏模量和泊松比，并在每个工作温度点进行更新计算，将计算得到的电导率和磁导率输入至
EMAT
电磁场计算模块，并将计算得到的密度
、
杨氏模量
、
泊松比输入至
EMAT
声场计算模块；
EMAT
电磁场计算模块：根据电导率
、
磁导率和
EMAT
外电路输出激励电流计算
EMAT
线圈产生的磁场和电场分布，进而得到试件表层的洛伦兹力密度；根据
EMAT
外电路输出激励电流计算
EMAT
线圈阻抗，以及根据电导率
、
磁导率和
EMAT
声场计算模块的处理结果计算
EMAT
开路感应电压；
EMAT
声场计算模块：在洛伦兹力使试件中质点发生弹性形变的情况下，根据密度
、
杨氏模量
、
泊松比计算得到超声波在试件中质点振动速度
。2.
根据权利要求1所述的高温电磁超声换能器的多物理场
‑
电路协同模拟系统，其特征在于，
EMAT
电磁场计算模块根据电导率
、
磁导率和
EMAT
外电路输出激励电流计算
EMAT
线圈产生的磁场和电场分布，进而得到试件表层的洛伦兹力密度的过程包括以下步骤：
EMAT
外电路输出激励电流至
EMAT
线圈，产生磁场
H
：式中，
J
为通过
EMAT
线圈的电流密度，
D
为位移电流，为哈密顿算子；根据法拉第电磁感应定律，得到：式中，
E
为电场强度，
B
为磁感应强度；引入磁矢势
A
：式
(3)
代入至式
(2)
，并对等式两边进行积分，得到电场
E
：式中，为
EMAT
线圈两端电势差；式
(3)
和式
(4)
带入至式
(1)
，得到：式中，
μ
为磁导率，
γ
为电导率；根据洛伦兹规范条件并忽略位移电流影响，基于式
(5)
得到
EMAT
线圈产生的磁场方程：
在不同媒质的分界面上，磁矢势函数满足以下分界面衔接条件：
A
i
＝
A
i+1 (7)
式中，下标
i
为相邻的媒质；下标
t
相邻媒质分界面的切线方向；
J
i,i+1
为相邻分界面上的面电流密度；获得磁矢势后，试件中涡流密度
J
e
分布为：得到洛伦兹力密度：
f
L
＝
J
e
×
B
m (10)
式中，
f
L
为试件表层中产生的洛伦兹力密度，
B
m
为永磁体提供的磁感应强度
。3.
根据权利要求2所述的高温电磁超声换能器的多物理场
‑
电路协同模拟系统，其特征在于，
EMAT
声场计算模块在洛伦兹力使试件中质点发生弹性形变的情况下，根据密度
、
杨氏模量
、
泊松比计算得到超声波在试件中质点振动速度的过程包括以下步骤：试件中质点在洛伦兹力作用下发生弹性形变，其运动方程表示为：式中，
δ
为应力张量，
ρ
为试件密度，
u
为试件中质点位移；确定声阻抗
Z
计算式：式中，
ρ
为介质密度；
c
为声速；
δ
为应力；
v(t,x)
为声波在
t
时刻传导至
x
位置处的质点振动速度；确定横波和纵波声速计算式为：式中，
c
s
为横波速度；
c
l
为纵波速度；
G
为剪切模量；
E
为杨氏模量；
η
为泊松比；将式
(13)
带入至式
(12)
得到横波质点振动速度
ν
s
和纵波质点振动速度
ν
l
。4.
根据权利要求3所述的高温电磁超声换能器的多物理场
‑
电路协同模拟系统，其特征在于，横波质点振动速度
ν
s
和纵波质点振动速度
ν
l
如下：
式中，
ν
s
为横波质点振动速度；
ν
l
为纵波质点振动速度
。5.
根据权利要求1至4任意一项所述的高温电磁超声换能器的多物理场
‑
电路协同模拟系统，其特征在于，
EMAT
热场计算模块计算随温度变化的电导率
、
磁导率的过程包括以下步骤：在温度区间内，确定随温度变化的电导率：式中，
T0为室温，
T
为实际温度，
γ
为实际电导率，
γ0为室温电导率，
α
为温度补偿系数；根据朗之万顺磁理论，忽略材料磁滞效应，得到材料磁化强度
M
朗之万函数，从而确定初始磁化率
χ0和饱和磁化强度
M
S
作为朗之万函数拟合磁化曲线的参数；针对饱和磁化强度
M
S
，采用饱和磁通密度
B
S
表示：
B
S
＝
μ0(H
S
+M
S
) (20)
将试件的饱和磁化强度
M
S
随温度变化关系
T
K
，采用平均场理论表示为：
M
S
＝
N
ν
tanh(
νλ
M
S
/K
B
T
K
) (21)
式中，
N
为单位体积原子数，
ν
为原子磁矩，
λ
为平均场常数，
K
B
为玻尔兹曼常数；使用数值法求解式
技术研发人员：翟国富，梁宝，李智超，李茜，杨润杰，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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