电磁超声表面波换能器设计参数仿真

　　0 引言

　　电磁超声是60年代发展起来的一种新型无损检测技术,它的核心电磁超声换能器(EMAT)[1-2],是一种新型的超声发射、接收装置。使用电磁超声技术进行检测时,通过改变外加偏转磁场的大小和方向、高频电流的大小和方向及激励线圈的形状和尺寸可以控制EMAT产生的超声波类型(纵波、横波、表面波、板波等)、强度、频率及传播方向等参数。其中,表面波是沿材料表面传播的一种波,使用表面波进行表面缺陷探伤的方法,称为表面波探伤法[3]。

　　然而,电磁超声换能器本身换能效率低下,需要通过研究其原理并优化参数来改进提高换能效率。由于电磁超声换能器中的非线性问题及电磁-应力多场耦合问题十分复杂,采用传统的解析方法,难以分析研究电磁超声换能器的原理,因此本文在建立了电磁超声换能器的物理模型基础上,使用有限元方法来建模仿真。同时对电磁超声换能器几个主要参数进行分析,得出了各参数对电磁超声换能器影响的规律,并指导系统优化。

　　1 电磁超声表面波产生原理

　　当把高频交变电流加到靠近金属表面的表面波电感线圈上时,线圈会激发出交变磁场,此交变磁场在金属表面感生出涡流,涡流密度的大小取决于高频电流,且二者方向相反,频率相同。如果同时在金属表面上加一个外部磁场,涡流与外磁场相互作用产生洛仑兹力,金属原子在洛仑兹力作用下产生往复振动,从而在试件表面产生表面波波源[4-7]。此种检测方法中,换能器已不仅是通有交变电流的线圈和外部固定磁场的组合体,被测金属表面也是换能器的一个重要组成部分,电和声的转换是靠金属表面来完成的。产生表面波的物理模型如图1所示。

　　2 仿真过程

　　有限元法具有使用灵活和应用广泛等优点,因此适合于求解电磁场中很多分布[8]。一般来说,对于各种各样的电磁问题,有限元的基本计算过程可以简要地归纳为以下几个步骤:

　　1)创建或读入几何模型;

　　2)定义单元类型及材料属性;

　　3)赋予单元材料属性,划分有限元网格;

　　4)施加载荷,设定约束条件;

　　5)求解,查看分析结果。

　　3 仿真结果及分析

　　3.1 激励线圈仿真、选取及设计参数分析

　　通过分析常用的等间距蛇形、“回”形以及不等间距型线圈(如图2中(a)、(b)、(c)所示)在相同环境下,涡流分布情况的不同选定合适的表面波激励线圈。

　　现针对上述3种线圈形状分别进行有限元仿真分析。施加线圈的电流激励信号表达式为: