1引言
超聲表面波是一種廣泛應用于無損檢測的超聲模式，常常用來檢測管道、板材等金屬器件的表面。電磁超聲技術相比于傳統的壓電式超聲技術有著無需耦合介質，非接觸檢測，可高溫檢測，檢測速度高，重復性好等優點，大大提高了超聲檢測的應用范圍和自動化程度[1]。但電磁超聲的轉換效率較低，所以研究電磁超聲產生表面波的機理和表面波在金屬體內的傳播過程是十分必要的[2]。本文用有限元
仿真的方法對電磁超聲表面波的產生過程進行了研究。
2產生電磁超聲表面波的理論依據
電磁超聲換能器（EMAT）激發和接收電磁超聲表面波，它由偏置磁場，高頻
線圈，被測工件三個部分組成，如圖1所示。
通有高頻交變電流Ieitw的線圈激勵產生一個交變的電磁場H，在工件表面產生
感應電流，即交變的渦流Jω（單位：A/m2）。在永磁體提供的偏置磁場B的作用
下，被測工件表面的質子受到交變的洛倫茲力[3]。
圖1 產生電磁超聲表面波示意圖
被測工件表面的質子受到的洛倫茲力為[2]：
（1）
式中，Js為渦流密度，B0為偏置磁場強度，A為瞬態磁矢勢，σ1為自由導體電導率。
這些質子在這個力的作用下做往復運動，這種運動以彈性波的形式向遠處傳播，就產生了超聲波，波的方向取決于換能器的線圈形式和偏置磁場B的方向[4]
。
當被測工件表面有超聲自內部投射時，質點發生位移，帶正電荷的晶格在偏置
磁場B的作用下受力，產生交變電流。這個交變電流將導致被測工件表層出現
交變的磁場H，這個交變磁場在被測工件上方的線圈中感生出電動勢，通過對
這個感生電動勢的測量，便實現了超聲波的接收。被測工件必須是電導體或磁導體。若被測物體是鐵磁性材料，除洛侖茲力外，還受到磁致伸縮力的作用[5]。
3有限元仿真
有限元分析軟件ANSYS，是電磁、聲學、熱、流體等多場耦合的大型有限元
分析軟件，很好的解決了電磁超聲中電、磁、力、聲等多物理場耦合求解的問
題[6]。由于在高頻線圈中加載交變電流，所產生的洛倫茲力也是交變的，所以
在ANSYS仿真時，用到較多的是瞬態場分析。瞬態場分析中的邊界條件和載
荷是時間的函數，在每一個載荷步中，不僅要定義載荷和邊界條件的值，而且
還要定義它們所對應的時間值和一些載荷步選項，重復將這些載荷數據寫到載荷步文件中，直到載荷步結束，得到最終收斂解[7]
。
電磁超聲表面波的波源是高頻線圈在被測工件表面產生的渦流場受到靜磁場的
作用后，產生的洛倫茲力。因此，產生電磁超聲表面波的仿真研究可分為以下三部分：
（1）永磁體產生偏置磁場；
（2）工件表面感生渦流和洛倫茲力；
（3）振動產生超聲波。
3.1永磁體產生偏置磁場
根據電磁超聲換能器EMAT的結構和工作特點，取單元類型為空氣、線圈、被測工件和永磁體。定義材料屬性，設被測工件的相對磁導率mr為400，電阻率ρ為
1×10-7Ω·m，線圈的相對磁導率mr為1，電阻率ρ為1×10-9Ω·m�？紤]到
模型具有對稱性，且假設線圈導線的長度比線間距要大得多，可將模型簡化成
二維情況來進行有限元分析。EMAT模型如圖2所示。
圖2 D-ANSYS建模
設被測物體為半無限大導體，在其上方放置曲折線圈，線圈由一根導線來回沿
直角彎曲成一組2條平行線，相鄰導線間距b=0.24mm，提離距離h=0.5mm，導
線橫截面為長方形，長為0.12mm，寬為0.05mm，相鄰兩導線電流方向相反。
建立模型后，給面賦予特性，確定單元關系，并進行智能網格劃分。
圖2所示的所有單元用的均采用2D-8節點磁場單元PLANE53，該磁場單元定義
了8個節點和4個自由度，適用于磁場、渦流、電磁耦合等的仿真分析。A1為
被測工件，A2、A3利用充磁方向的不同分別構成永磁體N級和S級，A4、A5是
通有交流電的導線，A6是硅鋼片，A7為空氣層。
由于是靜磁場的仿真，在電磁場微分方程的求解過程中，只有限制了邊界條件
和初始條件，才有確定的解。因此，為空氣層設置了邊界條件；根據電磁超聲
的激發機理，采用時變電流對線圈施加激勵；根據所加激勵的類型，選擇耦合
線圈自由度，進行瞬態磁場分析。由于瞬態分析中的載荷和邊界條件都是時間
的函數，所以設定了計算的起始時間、結束時間、以及計算的步長。將載荷和
邊界條件反復寫入計算步中，在到達結束時間時，停止運算。再對其進行后處
理。磁力線是用來描繪磁場分布的一些閉合曲線，將所計算得出的結果繪制出
磁力線，如圖3所示。
圖3 磁力線靜態分布
所得磁力線與永磁體理論磁力線基本相符，并容易看出永磁體的磁場分別從N
級發出，經過空氣或工件不同介質，傳回S級。而在工件內部又分為三部分被
磁化。兩部分分別在磁極的外側，這部分磁場對EMAT產生表面波沒有實用意
義。另一部分在兩磁極之間，即導線下方的工件處。永磁體在這一位置提供了
一個與工件表面平行的磁場，該平行磁場就是偏置磁場，偏置磁場是產生洛倫
茲力的基礎，是產生電磁超聲表面波的一個重要條件。
3.2 工件表面感生渦流場和洛倫茲力
與偏置磁場的仿真采用了相同的單元類型和材料屬性。為了更為直觀的模擬出
渦流場和洛倫茲力，選用3D的瞬態的電磁耦合分析。首先采用尺寸劃分的方
法對被測工件進行40×40×4的剖分，其他部分進行智能網格劃分，如圖4所示。
圖4 3D-ANSYS建模
圖4中V1、V2分別為永磁體的N、S極，在永磁體中間有四條通有大小相同方
向相反的交變電流的導線V4、V5、V6、V7，最下方的大矩形體V3為被測鋼
板。采用ANSYS仿真軟件下的3D磁模型SOLID97單元，此單元定義了8個節點
和5個自由度。定義被測工件為可用于渦流計算的SOLID97.1單元，其他無渦流
計算的單元選用SOLID97.0單元。
線圈中加載最大值為4安培，頻率為800Hz的正弦交變電流，空氣層施加約束，
進行仿真求解。在被測工件的趨膚層得到感生渦流，該渦流在永磁體提供的偏
置磁場的作用下所產生洛倫茲力。為了能看到工件中所形成渦流和受力的大小
和方向，在后處理時，繪制渦流和洛倫茲力的矢量圖，如圖5所示。
圖5a中所示為被測工件表面感生的渦流，在導線正下方的鋼板表面產生的渦流
最大，電流密度達到356066A/m2。渦流在導線的右側為順時針，左側為逆時針
方向。圖5b為被測工件質子所受的洛倫茲力，同樣，在導線下方的質點所受的洛
倫茲力最大為0.378N。由于相鄰導線通有的電流方向相反，所產生的渦流方向
相反，則所受的洛倫茲力的方向相反，分別為Y軸的負方向和正方向。此洛倫
茲力即為超聲表面波的波源。
線圈中通過交變的電流激勵，因此被測工件表面感生出交變的渦流和洛倫茲
力，如圖6所示。圖6為鋼板表面一點所通過的電流密度和所受洛倫茲力隨時間
變化的曲線。從圖6a可以看出，該點通過的電流密度頻率與導線中通過的激勵
電流的頻率相同，同為800Hz，而且隨著時間的增加，電流密度的幅值逐漸減
小。而圖6b為改點所受Y方向的力隨時間變化的曲線。Y方向的洛倫茲力的頻
率與質點通過的電流密度和激勵電流相同，而且隨時間的增加幅值減小。即可
以通過改變導線中激勵電流的頻率來改變工件中渦流的頻率，進而改變洛倫茲
力的頻率，也就是質點振動的頻率，當頻率超過20k時，所產生的波就是超聲波。
3.3振動產生超聲波
選取8節點6個自由度的SOLID5單元進行被測工件的建模，采用尺寸劃分的方
法對被測工件進行40×40×4的網格劃分。在工件表面選定一列網格施加Y軸
方向交變的集中應力，即在渦流和偏置磁場的共同作用下產生的洛倫茲力，大
小為0.378N，并在X，Z方向施加兩個約束條件，進行3D模態分析，計算工件
各部分的機械形變，如圖7所示。
圖7 振動產生超聲表面波
在此洛倫茲力的作用下被測工件的表面產生形變，形變的方向與施加的力的方
向相同，最大形變處達到0.346mm，該形變沿X軸方向向兩側傳播，這樣形成
了超聲波；由于在該超聲波是沿金屬板表面傳播，這樣便產生了超聲表面波。
4結論
通過對偏置磁場，工件表面感生渦流和洛倫茲力，振動產生超聲波三部分的仿
真計算，得出了以下結論：（1）永磁體在被測工件中提供與工件表面平行的
偏置磁場；（2）在線圈的作用下，金屬板表面產生交變的渦流；（3）該渦流
在偏置磁場的作用下產生交變的洛倫茲力；（4）在這個交變的洛倫茲力的作
用下工件表面發生形變，這種形變以表面波的形式向遠處傳播。
仿真將電磁超聲表面波的產生和傳播過程視覺化，為電磁超聲表面波的實際檢
測應用提供了理論基礎。
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