(沈陽工業大學 信息科學與工程學院，沈陽 110780)
摘 要：針對電磁超聲換能器幾何參數對電磁超聲無損檢測設備換能效率的影響問題，研究其幾何參數和換能效率的關系。對電磁超聲換能器在被測材料鋁板表面上產生的渦流以及渦流在偏置磁場下產生的洛侖茲力進行ANSYS仿真；分析了電磁超聲換能器模型的幾何參數對被測材料鋁板上產生的渦流及其洛侖茲力的影響，通過洛侖茲力與換能效率的關系最終判斷電磁超聲換能器模型的幾何參數與電磁超聲換能器換能效率的關系。仿真結果表明，改變電磁超聲換能器模型線圈導體的形狀、線圈導體的間隔等幾何參數，可以有效的提高電磁超聲換能器的換能效率。
關鍵詞：電磁超聲換能器；無損檢測；渦流；偏置磁場；有限元仿真
中圖分類號：TH878+.2 文獻標識碼：A 文章編號：
The Finite Element Simulation of Electromagnetic Ultrasonic Transducer Geometric Parameters
GUO Chen-lin ，YANG Li-jian，XING Yan-hao
（School of Information Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang, 110780, China）
Abstract：For the application of electromagnetic ultrasonic transducer geometric parameters in energy efficiency in NDT, study the relationship between geometric parameters and conversion efficiency. Using the finite element analysis software ANSYS to simulate eddy current generated by electromagnetic ultrasonic transducer in the tested material and Lorentz force generated by electromagnetic ultrasonic transducer in the bias magnetic field;to simulate the geometric parameters of electromagnetic ultrasonic transducer how to affect eddy current and Lorentz force in the tested material,through the relationship between the Lorentz force and the conversion efficiency to ultimately judge the relationship between the geometric parameters of electromagnetic ultrasonic transducer and the conversion efficiency of electromagnetic ultrasonic transducer.Results show that the appropriate changes of electromagnetic ultrasonic transducer geometric parameters, such as the the shape of the coil conductor, coil conductor spacing, from the other geometric parameters can effectively improve the electromagnetic ultrasonic transducer for energy efficiency.
Keywords：EMAT; NDT; Eddy currents; The Bias Magnetic Field; Finite element
1.引言
電磁超聲技術在無損檢測中應用非常廣泛，由于電磁超聲技術不需要耦合劑，且在實際檢測中具有很高的精確度，所以在板材、管材中有很好的應用價值。而電磁超聲換能器是電磁超聲檢測過程中最重要的設備，電磁超聲換能器設計的好壞直接影響整個電磁超聲換能效率的高低。國際上電磁超聲換能器設計方法一般分為兩種，一種為永久磁鐵在激勵線圈兩側，還有一種是永久磁鐵在激勵線圈正上方。第一種方法一般可以用來產生檢測薄板材缺陷的表面波，而第二種方法一般可以用來產生檢測板材厚度的橫波。由于這兩種方法的核心技術是通過激發的超聲波在缺陷部分產生反射和衰減情況來判斷缺陷的位置，所以大量應用在工業產品的檢測中[1]。本文用有限元仿真的方法對電磁超聲換能器結構的主要參數進行了研究，并從研究結果出發進行理論分析，分析電磁超聲換能器模型的幾何參數對電磁超聲換能器換能效率的影響。
2.電磁超聲換能器的工作原理
電磁超聲換能器一般由提供偏置磁場的永久磁鐵，高頻激勵線圈，被測試件等三部分構成，其功能是用來激發和接收電磁超聲表面波。高頻激勵線圈在高頻激勵電流Jc的激勵下會在被測材材料鋁板上產生交變電磁場Bd,m，由于集膚效應被測試件會感生渦流JE，渦流在外加偏置磁場Bs作用下會產生作用在被測試件上的洛倫茲力fL，洛倫茲力作用在被測試件引起試件表面質點的振動，該振動會以電磁超聲表面波的形式在試件表面傳播，這就是超聲波的發射過程，而接收過程是發射過程的逆過程。如圖1所示。
從式（5）可以看出，洛倫茲力與激勵線圈產生的渦流密度和永久磁鐵提供的偏置磁場成正比，也就是說增強渦流密度和外加偏置磁場都可以提高電磁超聲換能器的換能效率。所以提高換能效率可以通過有限元分析軟件ANSYS來求解，通過對電磁超聲換能器主要參數的仿真，確定如何提高電磁超聲能器的換能效率。
3.電磁超聲換能器的有限元仿真
在解決了電磁超聲中電、磁、力、聲等多物理場耦合求解的問題時，通常會使用電、磁、聲等多場耦合的大型有限元分析軟件ANSYS。因此對于電磁超聲換能器的主要參數可以使用ANSYS進行仿真，ANSYS有限元分析中可以使用兩種方法進行耦合場計算，一種是直接耦合一種是參數耦合，所以采用常用的直接耦合的方法，也就是給定好相應的參數以及邊界條件最終得出結果，而在電磁超聲仿真過程中會涉及電磁場、機械場的分析，所以需要具體的參數和邊界條件[3]。
同時在瞬態分析時要對時間函數的載荷每一步都要定義，定義它的時間值等參數，最后將數據寫入載荷文件中，當載荷步結束后，可以得到最后的仿真結果，通過仿真電磁場產生的洛侖茲力來分析參數是如何影響電磁超聲換能器的換能效率的。
3.1對電磁超聲換能器進行數學建模
電磁超聲換能器的模型要能真實的反映主要參數對換能效率的影響。因此采用比較薄的鋁板來作為被測材料，并且簡單的四匝激勵線圈作為激勵線圈。對比較容易網格劃分的鋁板進行六面體劃分，而對比較難網格劃分的部分采用智能劃分的方法，對激勵線圈模擬加載100A的高頻線圈，頻率為400K，同時認為鋁板周圍一定范圍是零磁勢，即建立邊界條件[4]。
模型的具體參數如下：
1）幾何參數：
鋁板：長×寬×高＝0.8m×0.4m×0.01m
線圈：長×寬×高＝0.03m×0.00012m×0.00024m
相鄰導線間距b=0.00024m
提離距離h=0.0005m
2）物理參數：
鋁板：相對磁導率mg=400
電阻率r=1E-7Ω•m
楊氏模量EX=7.1E10Pa
密度m=2.7E3kg/m³
空氣：相對磁導率mg=1
電磁超聲換能器的模型如圖2所示。
采用3D瞬態的電磁耦合分析，由于鋁板取的面積相對模型比較大，所以圖2中鋁板沒有完全給出。在鋁板上由于產生是渦流，所以鋁板取的模型計算單元是SOLID97.1。而其他的單元由于涉及不到渦流的計算問題，所以采用的計算單元為SOLID97.0。對于鋁板采用40×40×4的網格劃分，而其他模塊為了簡便使用ANSYS的智能網格劃分來進行劃分[5]。
3.2 三種常用激勵線圈對換能效率影響的仿真
首先對幾種線圈進行3D仿真，目前常用的線圈有蛇形線圈，變間距蛇形線圈和環形線圈，由于每種線圈都有其不同特點，所以對三種線圈進行簡化。因為環繞部分的線圈對被測材料鋁板上產生的渦流影響不大，所以為了減少仿真的計算量，對高頻激勵線圈環繞部分進行了簡化，線圈模型如圖3所示。
環形線圈簡化后與圖3(a)蛇形線圈模型相同，僅僅電流方向與電流方向不同，以上線圈模型簡化的目的是忽略線圈的其他部分，保留線圈中產生渦流的主要部分，便于更加有效的分析線圈對鋁板上渦流的影響，仿真后得到電磁超聲換能器在鋁板上的渦流如圖4所示。
對比三個圖發現對于圖4(a)等間距線圈和圖4(c)環形線圈在鋁板產生的渦流比較靠近線圈下方，也就是說在線圈下方感生的渦流值比較大。相比下圖4(b)變間距線圈在鋁板感受的渦流離線圈比較遠些，而且大小和圖4(a)等間距和圖4(c)環形線圈數值上相差不太大,大約為0.196E+07A/M2。所以在電磁超聲換能器的設計上，等間距線圈由于可以產生比較平均的渦流并且渦流在線圈附近所以更加有利于檢測缺陷[6]。
通過仿真可以看到增大面積的變間距線圈有效檢測面積是減少而不是增加，因此等間距線圈有利于電磁超聲換能器的有效檢測。然后討論三種線圈對洛侖茲力大小的影響，洛侖茲力矢量圖如圖5所示。
由于電磁超聲換能器的換能效率取決于洛侖茲力和磁致伸縮，而鋁板主要取決于洛侖茲力，所以洛侖茲力越大電磁超聲的換能效率越大。通過比較以上三個圖，我們發現這三個線圈在鋁板上產生的洛侖茲力相差不大，圖5(a)洛侖茲力最大值為0.378815N，圖5(b)洛侖茲力最大值為0.385008N，圖5(c)洛侖茲力最大值為0.379319N，因此從電磁超聲換能器的換能效率上來看，這三個線圈換能效率大小差不太多，但是圖5(a)等間距線圈能夠產生比較集中的渦流，因此等間距線圈更有利無損檢測，而變間距線圈的應用范圍還需要進一步研究。
3.3改變等間距蛇形線圈間隔對換能效率影響仿真
以下是等間距線圈導體間隔為0.00024m和0.00036m時，對應洛侖茲力的矢量圖如圖6所示。
通過比較圖6(a)和圖6(b)我們發現線圈的間距越小如圖6(a)對應的洛侖茲力就越大，即當導體間距從0.00036m減小到0.00024m，對應的洛侖茲力的大小會由原來0.369444N增大到0.378815N,也就是換能效率增大，也就是說電磁超聲換能器的檢測線圈間距不宜過大，比較密集的等間距線圈檢測可以提供較大有效檢測面積和比較大的換能效率，所以適合用于無損檢測。
但是由于線圈間距的變化還會改變產生在板材上超聲波的頻率，而不同超聲波的頻率會對應不同的檢測材料，因此在改變線圈間距的同時還需要考慮這個因素，這樣才能使得電磁超聲換能器的換能效率真正符合實際的應用。特別是使用電磁超聲換能器產生表面波，線圈間距要等于表面波波長的二分之一，這樣才能在高頻激勵線圈的作用下發生相長干涉，才能在鋁板上產生表面波，這種情況下就不太適合用改變線圈間距的方法來改變電磁超聲換能器的換能效率。
4.結論
通過對電磁超聲換能器幾何參數的ANSYS仿真，得出了以下結論：（1）等間距蛇形線圈較其他線圈能夠提供比較大有效檢測面積。（2）等間距蛇形線圈的換能效率與其他線圈的換能效率相差不大。（3）導體間隔在0.00024m到0.00036m范圍內，減少間距可以提高電磁超聲換能器的換能效率。
通過實驗，驗證了仿真結果與實驗結果是一致的。
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作者簡介：郭辰霖 碩士 沈陽工業大學信息科學與工程學院學生
基金項目：國家自然基金儀表專項基金資助項目（60927004）
