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電磁超聲換能器（Electromagnetic Acoustic Transducers, EMATs）能夠無接觸地在金屬內(nèi)部激發(fā)并接收超聲波，其利用通入內(nèi)部線圈中的高頻激勵(lì)在被測(cè)試件表層趨膚深度內(nèi)感生出渦流，在永磁體偏置磁場(chǎng)的作用下，試件表面質(zhì)點(diǎn)受到洛侖茲力從而高頻振動(dòng)，繼而在試件內(nèi)部激發(fā)超聲波。電磁超聲技術(shù)在金屬無損檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用。

與傳統(tǒng)的壓電超聲檢測(cè)相比，電磁超聲檢測(cè)無需使用耦合劑，不需要對(duì)被測(cè)試件表面進(jìn)行預(yù)處理，并且可以在高溫高壓等惡劣工況下進(jìn)行正常檢測(cè)。目前，電磁超聲無損檢測(cè)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于金屬的厚度測(cè)量、缺陷檢測(cè)、塑性損傷檢測(cè)等領(lǐng)域，逐漸成為一種國(guó)內(nèi)外較為主流的無損檢測(cè)手段。

盡管電磁超聲檢測(cè)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，然而相比于其他類型換能器，EMATs存在換能效率低、易受到電磁干擾等問題，其中傳統(tǒng)電磁超聲縱波換能器水平偏置磁場(chǎng)弱，導(dǎo)致?lián)Q能效率極低，對(duì)測(cè)量結(jié)果造成不利影響。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究，以提高EMATs接收信號(hào)的信噪比。文獻(xiàn)研究表明，通過優(yōu)化換能器的永磁體尺寸及線圈參數(shù)，能夠有效提升回波幅值。

然而這些優(yōu)化并未考慮到線圈匝數(shù)的局限性，在永磁體可利用偏置磁場(chǎng)區(qū)域確定的情況下，增大導(dǎo)線寬度或?qū)Ь€間距勢(shì)必會(huì)減少線圈的有效工作匝數(shù)，從而影響回波幅值。此外，正交試驗(yàn)優(yōu)選法只適用于各參數(shù)水平較少的場(chǎng)合，當(dāng)所要考察的水平數(shù)較多時(shí)，正交試驗(yàn)總試驗(yàn)次數(shù)過多時(shí)，宜采用均勻試驗(yàn)方法進(jìn)行優(yōu)化。

對(duì)此，華東交通大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院蔡智超副教授研究團(tuán)隊(duì)使用一種永磁體按照Halbach陣列排布的電磁超聲縱波換能器，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

他們?cè)谖恼轮惺紫冉榻BHalbach陣列縱波換能器結(jié)構(gòu)及其工作原理；然后，利用COMSOL Multiphysics有限元軟件進(jìn)行二維建模，分別采用正交試驗(yàn)和均勻試驗(yàn)方法，仿真中設(shè)置不同的線圈參數(shù)和匝數(shù)組合，改變永磁體提離距離，以尋求增強(qiáng)回波信號(hào)幅值的最佳方案，研究了不同電流頻率對(duì)聲衰減和一次回波幅值的影響；最后，分別使用優(yōu)化前、后換能器對(duì)本次優(yōu)化方案進(jìn)行驗(yàn)證。

圖2 換能器實(shí)物圖

研究結(jié)果表明：

1）Halbach陣列型永磁體排布能夠顯著增強(qiáng)水平方向磁場(chǎng)，增大垂直方向洛侖茲力，激發(fā)出更劇烈的縱波。

2）通過正交試驗(yàn)和均勻試驗(yàn)得到，當(dāng)減小線間距、導(dǎo)線寬度、導(dǎo)線高度時(shí)，能夠使得回波幅值得到提升。仿真中優(yōu)化后回波幅值比優(yōu)化前兩種最佳方案分別提升了113%和61%，實(shí)驗(yàn)中優(yōu)化后回波幅值比優(yōu)化前提升了83%。

3）Halbach陣列縱波換能器在工作時(shí)，永磁體與被測(cè)試件上表面之間的提離距離對(duì)接收到的信號(hào)幅值影響較大，當(dāng)提離距離處于0.7~1.0mm范圍時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度最高。

4）超聲波在試件內(nèi)部傳播的衰減與激勵(lì)電流頻率有關(guān)，過高的電流頻率造成較大的聲波衰減，過低的電流頻率產(chǎn)生較小的回波幅值，選取6MHz左右的激勵(lì)頻率可以使得回波電壓幅值和有效回波數(shù)量維持在較為理想的水平，有利于進(jìn)行后續(xù)檢測(cè)與數(shù)據(jù)處理。

本文編自2021年第21期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“基于Halbach陣列電磁超聲縱波換能器優(yōu)化設(shè)計(jì)”，作者為蔡智超、李毅博。