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材料的检测与评价对于控制和改进生产过程中的产品质量、保证零件和产品的可靠性以及提高生产效率等都起着关键性作用。各种测试技术及有关材料科学、物理科学和电子学的发展,为无损检测技术的应用提供了新的可能。超声无损检测技术受到工业界的普遍重视,特别是在冶金、机械、石油、化工、航空、航天等各个领域得到广泛的应用,其中换能器技术是超声检测中的核心技术。论文以两类垂直辐射的横波换能器为对象,分五个部分研究了其辐射空间响应特性和声场数值计算方法,论文讨论的重点放在理论方法推导、数值模拟和实验验证上。
论文共分为六章,第一章为绪论,简单总结了压电和电磁超声换能器有关辐射空间响应研究的概况及本论文的主要研究内容。
第二章研究了采用2/2型压电复合材料制作的一种水平偏振横波直探头的稳态空间响应特性,推导了两种表面力源辐射声场的严格解析解,通过数值计算给出了相应声场分布和指向性图,得到了横波垂直辐射指向性,并与实验结果进行了对比。实验所得声场指向性与理论计算结果符合较好,为该换能器的工程应用提供了理论依据。
第三章在第二章基础上研究了该横波直探头的瞬态空间响应特性,给出了两种表面力源辐射声场的严格解析解,通过数值计算给出了中轴面上水平位移的瞬态特性,从辐射的不同时刻声场图中清晰可见直达波、边缘波和头波,实验所得波形部分验证了理论结果。
第四章研究了跑道线圈电磁超声探头由洛伦兹力换能机制产生的辐射声场,用于模拟我们课题组建立了一套可在金属中产生横波的电磁超声实验装置,将辐射力源简化为非均匀的水平剪切力源,理论分析了该电磁超声在半无限大介质铝中辐射的横波声场,并在半圆柱形铝试块上做了实验,测定了该换能器在铝试块上的指向性曲线,和理论结果符合较好。
第五章在课题组建立的电磁超声实验装置上,对铝和钢半圆试块上辐射的横波声场分别进行了试验研究。结果发现,在同样条件下,钢中辐射声场与铝中辐射声场有显著不同,并进行了定性分析讨论。
第六章研究了圆形螺旋线圈电磁超声探头由洛伦兹力换能机制产生的辐射声场,给出了涡流、等效表面力源和辐射声场的计算方法,分析了此螺旋线圈换能器在铝试块上的辐射指向性,表明辐射的圆周径向偏振横波为两边瓣中空指向性,对理解此类换能器的辐射声场和实际应用具有一定的指导意义。