單向表面波電磁超聲換能器優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘 要： 電磁超聲表面波因在板材中的水平方向上傳播時(shí)具有能量衰減較慢的特性，故廣泛應(yīng)用于板材的表面或近表面缺陷檢測(cè)。相較于雙向表面波，單向表面波能量集中在換能器的一個(gè)方向，從而使增強(qiáng)側(cè)的表面波更能夠識(shí)別微小缺陷。為提高單向表面波換能器對(duì)微小缺陷的檢測(cè)靈敏度和精度，該文提出一種基于Halbach 陣列的永磁鐵結(jié)構(gòu)，對(duì)比優(yōu)化前后的磁場(chǎng)、渦流、洛倫茲力及位移場(chǎng)分布；研究分析在增強(qiáng)側(cè)表面波遇到不同裂紋缺陷的響應(yīng)特征，對(duì)微小裂紋進(jìn)行定位分析，并通過仿真分析得出反射系數(shù)、透射系數(shù)與微小裂紋深度、寬度、傾角之間的變化曲線，實(shí)現(xiàn)對(duì)微小裂紋缺陷的量化分析。

關(guān)鍵詞： 電磁超聲換能器; 單向表面波; 仿真分析; 優(yōu)化設(shè)計(jì); 裂紋缺陷響應(yīng)特征

中圖分類號(hào)： TB9; TB552 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1674–5124（2025）03–0087–09

0 引 言

電磁超聲檢測(cè)技術(shù)是通過電磁耦合在金屬材料中激發(fā)和接收各種超聲波，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同金屬板材和管材的檢測(cè)目的。在檢測(cè)過程中，電磁超聲換能器（electromagnetic acoustic transducer，EMAT） 無需聲耦合劑，可實(shí)現(xiàn)非接觸式、高溫環(huán)境檢測(cè)[1-3]。

目前，對(duì)雙向電磁超聲波EMAT 的研究較為豐富。然而，雙向超聲波傳播時(shí)的能量較低，通常需要對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行放大才能完成缺陷檢測(cè)。

針對(duì)雙向電磁超聲EMAT 激發(fā)效率低的問題，楊理踐等[4] 提出了多陣元激發(fā)換能器陣列用于鋼板缺陷檢測(cè)，并利用延時(shí)法將超聲波在目標(biāo)區(qū)等相位相加以實(shí)現(xiàn)超聲波聚焦，但是相控陣技術(shù)成本較高，并且對(duì)每個(gè)換能器的位置布置要求較嚴(yán)格，不易于操作。楊三虎等[5] 通過調(diào)控陣列EMAT 各個(gè)陣元的延遲激勵(lì)時(shí)間較好地實(shí)現(xiàn)了單一S0 模態(tài)的激發(fā)與增強(qiáng)，在檢測(cè)中更容易區(qū)分回波信號(hào)。李建等[6] 分析了永磁體不同放置方式和幾何尺寸對(duì)換能器激勵(lì)洛倫茲力大小的影響，并應(yīng)用正交試驗(yàn)法對(duì)蝶形線圈的幾何尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高橫波測(cè)厚效率。岑鑫等[7] 以鐵磁性材料鋼板為檢測(cè)對(duì)象，通過增大蛇形線圈的即電流幅值、線圈間距、減小線圈橫截面積等提高了Lamb 換能器的換能效率。Guo 等[8] 提出了一種基于電磁聲學(xué)換能器（EMAT） 和脈沖渦流檢測(cè)（PECT） 的混合缺陷物理透視融合無損檢測(cè)方法，可以檢測(cè)鐵磁性和非鐵磁性材料表面和內(nèi)部不同寬度、深度、方向的缺陷，并應(yīng)用在管道焊縫厚度變化監(jiān)測(cè)和缺陷檢測(cè)。Huang等[9] 針對(duì)SH 導(dǎo)波雙向傳播中存在的分散超聲波難以識(shí)別缺陷的問題，設(shè)計(jì)了一種由扇形周期永磁體（PPM）和向心導(dǎo)體構(gòu)成的單向聚焦型換能器結(jié)構(gòu)，但是非聚焦側(cè)依然存在較大回波。Jia 等[10] 設(shè)計(jì)了能夠?qū)崿F(xiàn)單向聚焦的線圈，此線圈使換能器的一側(cè)體波得到增強(qiáng)，另一側(cè)體波得以削弱，并使超聲波在增強(qiáng)側(cè)完成聚焦，從而提升了體側(cè)缺陷檢測(cè)的靈敏度。劉素貞等[3] 利用惠更斯原理建立了單向表面波EMAT，研究了增強(qiáng)側(cè)表面波遇到不同缺陷的響應(yīng)特征并進(jìn)行了定位和量化分析。

基于Halbach 陣列原理的永磁體結(jié)構(gòu)可以有效地提高磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而提升換能器激發(fā)超聲波的信號(hào)強(qiáng)度。此結(jié)構(gòu)最早由Klaus Halbach 教授提出，目前廣泛應(yīng)用于高速電機(jī)、高精度伺服電機(jī)中[11]。2018 年，唐東林等[12] 對(duì)比了傳統(tǒng)永磁體與基于Halbach 陣列的永磁體對(duì)接收信號(hào)幅值的影響；2021 年，蔡智超等[13] 設(shè)計(jì)了基于Halbach 永磁體陣列的電磁超聲縱波換能器； 結(jié)果均顯示基于Halbach 陣列的永磁體能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的偏置磁場(chǎng)強(qiáng)度，以此提高了接收信號(hào)的幅值。目前，將Halbach陣列原理應(yīng)用在表面波檢測(cè)的研究相對(duì)較少，原因是Halbach 陣列永磁體的各個(gè)磁場(chǎng)方向差異很大，對(duì)激發(fā)表面波會(huì)產(chǎn)生干擾。

本文采用有限元軟件COMSOL Multiphysics對(duì)用于鋁板檢測(cè)的單向表面波EMAT 進(jìn)行建模和仿真分析。為了提高單向表面波EMAT 對(duì)微小缺陷的檢測(cè)靈敏度，提出基于Halbach 陣列原理的永磁體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了并聯(lián)三分裂的曲折線圈以解決表面波波形的畸變現(xiàn)象，并對(duì)微小裂紋進(jìn)行了定位分析和量化分析。

1 單向表面波EMAT 理論背景及仿真分析

1.1 理論背景

在非鐵磁材料中，EMAT 產(chǎn)生超聲波主要是由洛倫茲力引起的。用于鋁板缺陷檢測(cè)的曲折線圈單向表面波EMAT 換能機(jī)理如圖1 所示。通常情況下，基于洛倫茲力機(jī)理的EMAT 的工作原理如下：永磁體提供偏置磁場(chǎng)Bs，線圈A 和B 中通入相位差為90°的高頻交變電流，其附近會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)Bd，并在試件的趨膚深度內(nèi)感生出同頻率、反向的渦流。渦流與磁場(chǎng)的相互作用產(chǎn)生洛倫茲力FL；被測(cè)試件內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)受到洛倫茲力的作用進(jìn)行高頻往復(fù)振動(dòng)并以一定的速度和位移在試件中傳播，以此形成電磁超聲波。

永磁體提供的偏置磁場(chǎng)是散度為零的無源磁場(chǎng)，可以用以下等式表示：