电磁超声的数值模拟方法

    电磁超声检测(EMAT)与传统的压电超声检测同属于超声波检测范畴。由于EMAT的非接触特性,与传统超声相比无需耦合剂,可以灵活产生各类波形,对被检测工件表面质量要求不高,检测速度快,可进行在线检测等优点,电磁超声传感器性能不断提高,应用也日益扩大。

    目前,对电磁超声的研究主要是采用试验研究和数值模拟。通过对电磁超声的数值模拟,不仅可以更好地理解电磁超声的产生机理,还可以为探头的优化设计和缺陷的定量分析提供指导。在数值模拟方面有限元方法由于其通用性好、求解精度高等特点,是应用较为普遍的一种方法。然而由于超声波的波长很短,有限元计算需要剖分大量单元,计算量大、效率低,如何提高计算效率,是有待研究突破的重点。

    根据电磁超声传感器的基本原理,建立了基于波动理论和退化向量位(Ar)方法的电磁超声有限元数值计算方法,开发了相应的计算程序,为进一步解决电磁超声数值模拟的关键技术打下基础。应用开发的程序,对两种典型探头激励下的电磁超声进行了数值模拟,研究了检测对象中磁场和洛仑玆力的分布以及电磁超声的传播过程,验证了方法和程序的有效性。

    1 电磁超声检测的基本原理

    在导电介质中,电磁超声的激发和接收主要依靠洛仑兹力和磁致伸缩效应。在非铁磁性材料中超声波的产生和接收可以用洛仑玆力原理解释。在铁磁性材料中,除洛仑玆力以外,磁致伸缩效应也是其工作的主要原理之一。笔者主要研究非铁磁性材料。图1是一个以洛仑玆力为原理的电磁超声检测装置典型结构[1]。

    当金属表面有一通以交变电流的线圈时,金属表面将感应出与线圈同频的交变涡流。把表面存在交变涡流的金属导体置于一个固定的磁场内,则在涡流透入深度内的质点将承受交变洛仑玆力的作用,使质点产生振动从而产生超声波。由于此效应呈现可逆性,返回声压使质点的振动在磁场作用下也会使线圈两端的电压发生变化,因此可以通过接收单元进行接收并放大显示,从而得到超声波检测信号[1]。

    2 数值计算方法

    根据电磁超声激发和接收的原理准确建立数学模型是进行电磁超声数值模拟的前提条件。由于电磁超声涉及到包括电磁学以及力学等多个学科的知识,因此可以采用先分别对它们进行独立研究,然后再考虑相互联系的方法探讨该问题。根据这一思路,电磁超声数值模拟可分为三个部分:¹静态磁场的仿真。º脉冲涡流场和洛仑玆力分布的计算。»洛仑兹力作用下超声波的产生和在媒质中传播的仿真[2]。

    2.1 静态磁场的简化计算