Моделювання електромагнітного акустичного перетворювача

В. Моркун Н. Моркун С. Грищенко І. Гапоненко А. Гапоненко Є. Бобров
Отримано 29.11.2022, Доопрацьовано 31.01.2023, Прийнято 25.04.2023
Анотація

Метою дослідження є моделювання процесів електромагнітного акустичного перетворення для конструювання безконтактного із досліджуваним середовищем ультразвукового вимірювального каналу. Методи дослідження. У роботі використані методи аналізу вітчизняного та зарубіжного досвіду, методи математичного та імітаційного моделювання, а також методи математичної статистики і теорії ймовірності для формування оцінки результатів дослідження. Наукова новизна полягає у дослідженні механізмів електромагнітного акустичного перетворення для формування ультразвукових пружних хвиль. Практичне значення полягає в обґрунтуванні застосування електромагнітних акустичних перетворювачів для визначення фізико-механічних властивостей феромагнітної гірської породи. Результати. У феромагнітних провідних матеріалах одночасно присутні три механізми акустичного перетворення: сила Лоренца, магнітострикційна сила і сила намагнічування. Звичайний електромагнітний акустичний перетворювач складається з джерела постійного магнітного поля, джерела змінного магнітного поля та деякого обсягу досліджуваної середовища, де відбуваються процеси перетворення енергії електромагнітного поля в енергію пружних коливань його частинок. Конструкція та конфігурація зазначених джерел визначають режими перетворення для формування різних типів хвиль, таких як поздовжні та поперечні об'ємні хвилі, збуджувані перпендикулярно поверхні зразка похилі поперечні хвилі та спрямовані моди (включаючи складні для збудження горизонтальної поляризації). Амплітуда та частота пружних ультразвукових коливань, сформованих електромагнітним способом, при розповсюдженні їх у гірському масиві залежить від вмісту та структури розподілу феромагнітного компонента, фізикомеханічних характеристик та стану досліджуваної середовища, тобто мінералогічних структурно-текстурних особливостей порід, що його складають. Цей процес обумовлений поглинанням та розсіюванням енергії ультразвукових хвиль і відповідно несе інформацію щодо середовища розповсюдження. Моделювання зазначеної процедури вимірювань відбувалось у два етапи: спочатку визначалися особливості формування магнітного поля у феромагнітній гірській породі під впливом електромагнітного імпульсу, а потім імітувалася генерація ультразвукових сигналів у досліджуваній середовищі та вплив на їх характеристики випадкових збурень. Запропонований підхід дозволяє дослідити метод неруйнівного безконтактного вимірювання характеристик феромагнітних гірських порід

Ключові слова:
електромагнітний акустичний перетворювач; моделювання; руда; феромагнітний компонент

Взято з Том 57, № 1, 2023

Сторінки 88–95

Використані джерела ЦИТУВАТИ

[1] Furuya Y., Torizuka S., Takeuchi E., Bacher-Hochst M., Kuntz, M. Ultrasonic fatigue testing on notched and smooth specimens of ultrafine-grained steel. Mater. Des. 2012, 37, 515-520.

[2] Clough M., Fleming M., Dixon S. Circumferential guided wave EMAT system for pipeline screening using shear horizontal ultrasound. NDT E Int. 2017, 86, 20-27.

[3] Trushkevych O., Edwards R.S. Characterisation of small defects using miniaturised EMAT system. Ultrasonics 2019, 107, 102140:1-102140:9.

[4] Thring C.B., Fan Y., Edwards R.S. Focused Rayleigh wave EMAT for characterisation of surface-breaking defects. NDT E Int. 2016, 81, 20-27.

[5] Aliouane S., Hassam M., Badidi Bouda A. Benchaala A. Electromagnetic Acoustic Transducers (EMATs). Design Evaluation of their Performances. https://www.ndt.net/article/ wcndt00/papers/idn591/ idn591.htm.

[6] Masahiko Hirao, Hirotsugu Ogi. Electromagnetic Acoustic Transducers. - Springer Series in Measurement Science and Technology (SSMST), 2017. - 380 p. DOI: 10.1007/978-4-431-56036-4.

[7] Huang Songling, Li Weibin, Wang Qing. Electromagnetic ultrasonic guided waves. CERN Document Server. - 2016-01-01.

[8] Yuedong Xie, Liyuan Yin, Rodriguez G. Sergio, Wuliang Yin. A wholly analytical method for the simulation of an electromagnetic acoustic transducer array - International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics. - August 2016, 51(4):375-389. DOI: 10.3233/JAE-150137.

[9] Hirao M., Ogi H. EMATs for Science and Industry: Noncontacting Ultrasonic Measurements; Springer: Boston, MA, USA, 2003; pp. 39-67.

[10] Lan J., Zhang J., Jia X., Gao R. Optimization Design of Surface Wave Electromagnetic Acoustic Transducers Based on Simulation Analysis and Orthogonal Test Method. Sensors. 2022; 22(2):524. https://doi.org/10.3390/s22020524.

[11] Li Y., Liu Z., Miao Y., Yuan W., Liu Z. Study of a spiral-coil EMAT for rail subsurface inspection. Ultrasonics, 2020, 108, 106169.

[12] C. V. Dodd, W. E. Deeds, Analytical solutions to eddy current probe-coil problems, Journal of Applied Physics, vol. 39, no. 6, pp. 2829-2838, 1968.

[13] Yuedong Xie, Sergio Rodriguez, Wenbo Zhang, Zenghua Liu, Wuliang Yin. Simulation of an Electromagnetic Acoustic Transducer Array by Using Analytical Method and FDTD. - Journal of Sensors, Volume 2016. https://doi.org/10.1155/2016/5451821.

[14] Suzhen Liu, Ke Chai, Chuang Zhang, Liang Jin, Qingxin Yang. Electromagnetic Acoustic Detection of Steel Plate Defects Based on High-Energy Pulse Excitation. - Appl. Sci. 2020, 10, 5534; doi: 10.3390/app10165534.

[15] E. Bossy. SimSonic Suite User’s Guide for SimSonic3D, 2012. 

[16] J. Virieux. P-SV wave propagation in heterogeneous media: velocity-stress finite-difference method, Geophysics, vol. 51, no.4, pp. 889-901, 1986.

[17] S. Butterworth. On Electrically-maintained Vibrations. In: Proceedings of the Physical Society of London. Vol. 27. 1914, pp. 410-424.

[18] K. S. Van Dyke. The Piezo-Electric Resonator and Its Equivalent Network. In: Proceedings of the Institute of Radio Engineers 16.6 (June 1928), pp. 742-764. ISSN: 0731-5996. DOI: 10.1109/JRPROC.1928.221466.

[19] Luftgekoppelte Ultraschallwandler fur die industrieUe Anwendung. Zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation von Alexander Unger aus Cottbus: 19. Juni 2019, Darmstadt - D 17. URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-89745.

[20] G. Sessler, R. Lerch, D. Wolf. Technische Akustik. 1st ed. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2009. ISBN: 978-3­ 540-23430-2.

[21] W. P. Mason. Electromechanical Transducers and Wave Filters. 2nd ed. D. van Nostrad Company, Inc., 1942. URL: https://archive.org/details/in.ernet.dli.2015.13601.

[22] H. F. Olson. Acoustical Engineering. 1st ed. D. van Nostrad Company, Inc., 1957. URL: http: / / cyrille . pinton . free . fr / electroac / lectures _ utiles / son / Olson . pdf

[23] W. WeiBgerber. Elektrotechnik fur Ingenieure 2. 6th ed. Vieweg, 2007. ISBN: 978-3-8348-0191-3.

[24] Meeker D. Finite Element Method Magnetics. Version 4.0. User’s Manual, January 26, 2004 // http://femm.berlios.de, 2003.

[25] https://de.mathworks.com/products/matlab.html.

Morkun, V., Morkun, N., Hryshchenko, S., Gaponenko, I., Gaponenko, A., & Bobrov, Ye. (2023). Modelling of an electromagnetic acoustic transducer. Mining Journal of Kryvyi Rih National University, 57(1), 88-95.
uk