超聲相控陣技術(shù)具有檢測(cè)速度快、精度高和聲束偏轉(zhuǎn)控制靈活等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)無(wú)損檢測(cè)和無(wú)損評(píng)估領(lǐng)域。超聲相控陣換能器一般指壓電超聲相控陣換能器，在檢測(cè)過(guò)程中，為保證壓電晶片與待測(cè)試件有良好的聲阻抗匹配，需要使用耦合劑。

耦合劑的存在，限制了壓電超聲相控陣技術(shù)在高溫、高速等惡劣環(huán)境中應(yīng)用。相較于壓電超聲相控陣技術(shù)，電磁超聲相控陣技術(shù)結(jié)合了電磁超聲技術(shù)非接觸檢測(cè)優(yōu)勢(shì)和相控陣技術(shù)精確控制聲束偏轉(zhuǎn)及聚焦特點(diǎn)，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

然而，目前電磁超聲相控陣技術(shù)尚處于起步階段，限制其發(fā)展的主要因素包括電磁超聲相控陣換能器聲場(chǎng)分布特征不明確、換能器設(shè)計(jì)方法研究不足以及相控陣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)匱乏等。為解決電磁超聲相控陣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)匱乏的問(wèn)題，北京工業(yè)大學(xué)王新華等和哈爾濱工業(yè)大學(xué)楊金旭采用D類(lèi)功率放大器電路實(shí)現(xiàn)相控發(fā)射電路功率放大，成功開(kāi)發(fā)出電磁超聲相控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

為解決電磁超聲相控陣換能效率低的問(wèn)題，J. Isla等采用在骨架模型上繞制多匝線圈方法設(shè)計(jì)電磁超聲相控陣換能器，顯著提高了相控?fù)Q能效率。但骨架線圈繞制過(guò)程中受人為因素影響明顯，存在難以準(zhǔn)確控制線圈設(shè)計(jì)參數(shù)問(wèn)題，這在一定程度上限制了骨架型電磁超聲相控陣換能器的進(jìn)一步發(fā)展。

在相控陣換能器參數(shù)設(shè)計(jì)方面，需要考慮的關(guān)鍵參數(shù)包括陣元數(shù)、陣元寬度、激勵(lì)頻率、陣元間距和偏轉(zhuǎn)角度等。一般認(rèn)為，陣元數(shù)越多或陣元間距越大，相控陣換能器的聲束指向性越好。然而，過(guò)大的陣元間距可能引起柵瓣產(chǎn)生。柵瓣對(duì)相控陣檢測(cè)精度具有不利的影響。

例如，相控扇掃成像時(shí)存在柵瓣，將引起偽像產(chǎn)生。為避免柵瓣產(chǎn)生且保證相控陣換能器具有好的指向性，壓電超聲相控陣換能器一般選用陣元數(shù)目大于64和陣元間距小于1/2波長(zhǎng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。相較于壓電超聲相控陣，現(xiàn)階段電磁超聲相控陣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的陣元數(shù)較少，一般為8陣元。為提高電磁超聲相控陣換能器聲束指向性，選用恰當(dāng)?shù)年囋g距，則有必要研究陣元間距和柵瓣之間的關(guān)系。

在電磁超聲相控陣換能器聲場(chǎng)分布特征研究方面，雖然壓電超聲相控陣聲場(chǎng)分布理論研究已經(jīng)十分成熟，但不能將壓電超聲相控陣聲場(chǎng)分布理論直接應(yīng)用于電磁超聲相控陣換能器設(shè)計(jì)。原因是壓電超聲是通過(guò)壓電晶片振動(dòng)在試件表面產(chǎn)生超聲縱波；而電磁超聲是基于電磁耦合機(jī)理，根據(jù)磁鐵與線圈的組合，能夠在試件趨膚層內(nèi)產(chǎn)生多種模式波形。故換能器設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)電磁超聲相控陣聲場(chǎng)分布特征影響規(guī)律有必要進(jìn)一步研究。

本文針對(duì)橫波電磁超聲相控陣換能器聲場(chǎng)分布特征不明確的問(wèn)題，采用有限元方法建立電磁超聲相控陣換能器二維多物理場(chǎng)模型，仿真分析不同換能器設(shè)計(jì)參數(shù)下橫波聲束偏轉(zhuǎn)特征變化規(guī)律，據(jù)此提出橫波電磁超聲相控陣換能器設(shè)計(jì)方法。其中，仿真分析的設(shè)計(jì)參數(shù)包括陣元寬度、激勵(lì)頻率、陣元間距和偏轉(zhuǎn)角度。本文研究結(jié)果能夠?yàn)闄M波電磁超聲相控陣換能器設(shè)計(jì)提供快速和準(zhǔn)確的指導(dǎo)。

圖7 單陣元EMAT聲場(chǎng)分布實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖9 電磁超聲相控陣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

結(jié)論

針對(duì)橫波EMAT相控陣聲場(chǎng)分布特征不明確的問(wèn)題，采用有限元方法分析不同換能器設(shè)計(jì)參數(shù)下橫波聲束偏轉(zhuǎn)特征變化規(guī)律，據(jù)此提出橫波EMAT相控陣設(shè)計(jì)方法。所得結(jié)論如下：

1）單陣元EMAT的橫波位移幅值隨頻率升高而逐漸下降，而橫波位移分布基本不受頻率變化影響。

2）線寬對(duì)橫波EMAT位移分布影響明顯，當(dāng)線寬≤0.2 mm時(shí)，橫波在±35o范圍內(nèi)位移分布平穩(wěn)，而當(dāng)線寬>0.2 mm時(shí)，橫波能量朝向0o位置聚集?？紤]到平穩(wěn)的位移分布更有利于保證相控陣換能器缺陷檢測(cè)精度，故采用0.2 mm線寬設(shè)計(jì)橫波電磁超聲相控陣換能器。

3）雖然已有文獻(xiàn)提出了用于消除柵瓣的最大陣元間距計(jì)算公式，但還不足以指導(dǎo)EMAT相控陣的陣元間距設(shè)計(jì)。綜合考慮陣元間距對(duì)橫波EMAT相控陣換能器的主瓣寬度和柵瓣峰值影響情況，建議采用0.7λ～0.8λ陣元間距設(shè)計(jì)橫波EMAT相控陣。

4）在±35o范圍內(nèi)，橫波EMAT相控陣的設(shè)計(jì)偏轉(zhuǎn)角度與仿真得到的偏轉(zhuǎn)角度基本一致，隨著角度的增大，設(shè)計(jì)偏轉(zhuǎn)角度與仿真得到的偏轉(zhuǎn)角度誤差逐漸增大。故橫波EMAT相控陣的設(shè)計(jì)偏轉(zhuǎn)角度應(yīng)控制在±35o范圍內(nèi)。