哈爾濱工業(yè)大學(xué)電器與電子可靠性研究所、哈爾濱零聲科技有限公司的研究人員翟國富、梁寶、賈文斌、楊金旭、汪開燦，在2019年第7期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文《橫波電磁超聲相控陣換能器設(shè)計(jì)》。

針對橫波電磁超聲相控陣換能器聲場分布特征不明確的問題，采用有限元方法仿真分析了不同換能器設(shè)計(jì)參數(shù)下橫波聲束偏轉(zhuǎn)特征變化規(guī)律，并對仿真模型有效性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最后提出了橫波電磁超聲相控陣換能器設(shè)計(jì)方法。該方法對橫波電磁超聲相控陣換能器設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)作用。

研究背景

電磁超聲相控陣技術(shù)結(jié)合了電磁超聲技術(shù)非接觸檢測優(yōu)勢和相控陣技術(shù)精確控制聲束偏轉(zhuǎn)和聚焦特點(diǎn)，故具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，電磁超聲相控陣技術(shù)尚處于起步階段，限制其發(fā)展的因素主要包括：電磁超聲相控陣換能器聲場分布特征不明確、換能器設(shè)計(jì)方法研究不足等。因此，有必要明確換能器不同設(shè)計(jì)參數(shù)下聲場分布變化規(guī)律，進(jìn)而指導(dǎo)電磁超聲相控陣換能器設(shè)計(jì)。

論文所解決問題及意義

本文針對橫波電磁超聲相控陣換能器聲場分布特征不明確的問題，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、激勵頻率、陣元間距和偏轉(zhuǎn)角度。參照文中所得結(jié)論，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)。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

1 單陣元電磁超聲換能器聲場分布特征

本文采用有限元軟件Comsol Multiphysics建模和仿真分析單陣元電磁超聲發(fā)射過程中聲場分布。單陣元電磁超聲換能器聲場指向性結(jié)果如圖1所示。圖1a和圖1b分別為不同頻率和不同線寬時，橫波電磁超聲聲場分布的統(tǒng)一歸一化仿真結(jié)果。根據(jù)圖1中仿真結(jié)果，本文采用0.2mm線寬設(shè)計(jì)橫波EMAT相控陣換能器。

圖1 單陣元電磁超聲換能器聲場分布

2 橫波電磁超聲相控陣換能器陣元間距選擇

在EMAT相控陣換能器設(shè)計(jì)中，陣元間距是需要考慮的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。大的陣元間距能夠提高相控?fù)Q能器聲束指向性，而過大的陣元間距可能引起柵瓣產(chǎn)生，為盡量減弱柵瓣影響，恰當(dāng)?shù)年囋g距設(shè)計(jì)顯得尤為重要。

不同陣元間距下，橫波電磁超聲相控陣換能器聲場指向性的統(tǒng)一歸一化仿真結(jié)果，如圖2所示。由圖2可知，隨著陣元間距的增加，主瓣寬度減小，說明增大陣元間距能夠提高橫波EMAT相控陣聲束指向性；然而，隨著陣元間距增大，柵瓣峰值與主瓣峰值的比值逐漸增大。故本文采用0.7λ～0.8λ陣元間距設(shè)計(jì)橫波EMAT相控陣。

圖2 不同陣元間距下橫波電磁超聲相控陣換能器聲場指向性結(jié)果

3 電磁超聲相控陣換能器聲束偏轉(zhuǎn)角度控制

本節(jié)目標(biāo)是明確橫波EMAT相控陣換能器在不同偏轉(zhuǎn)角度下聲束偏轉(zhuǎn)特征變化規(guī)律。不同偏轉(zhuǎn)角度下，橫波聲場指向性信息如表1所示(N = 8, f = 4 MHz, w = 0.2 mm, d = λ/2)。由表1可知，為保證設(shè)計(jì)偏轉(zhuǎn)角度與仿真得到的偏轉(zhuǎn)角度基本一致，橫波電磁超聲相控陣換能器的設(shè)計(jì)偏轉(zhuǎn)角度應(yīng)控制在±35o范圍內(nèi)。

表1 不同偏轉(zhuǎn)角度下橫波聲場指向性信息

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真模型計(jì)算結(jié)果的正確性和有效性，如圖3和圖4所示。

圖3 電磁超聲相控陣實(shí)驗(yàn)平臺

圖4 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

結(jié)論

• 1）單陣元EMAT的橫波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）線寬對橫波EMAT位移分布影響明顯，當(dāng)線寬 ≤ 0.2mm時，橫波在±35o范圍內(nèi)位移分布平穩(wěn)，而當(dāng)線寬 > 0.2mm時，橫波能量朝向0o位置聚集。考慮到平穩(wěn)的位移分布更有利于保證相控?fù)Q能器缺陷檢測精度，故采用0.2mm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橫波EMAT相控?fù)Q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)。

引用本文

翟國富, 梁寶, 賈文斌, 楊金旭, 汪開燦. 橫波電磁超聲相控陣換能器設(shè)計(jì)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2019, 34(07): 1441-1448. Zhai Guofu, Liang Bao, Jia Wenbin, Yang Jinxu, Wang Kaican. Design of the shear wave electromagnetic ultrasonic phased array transducer[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(07): 1441-1448.

團(tuán)隊(duì)介紹

哈爾濱工業(yè)大學(xué)電器與電子可靠性研究所翟國富團(tuán)隊(duì)，目前有教師11人，在校博土和碩士研究生40余人，博士后2人，外聘40余人。教師中，教授5人、副教授5人、講師1人。研究方向包括：

• 1、電器基礎(chǔ)理論(電弧、電接觸、電磁機(jī)構(gòu)、發(fā)熱、電動力)與技術(shù)；
• 2、多物理場耦合建模與虛擬樣機(jī)技術(shù)；
• 3、電器與電子系統(tǒng)全壽命周期可靠性(力學(xué)、熱學(xué)、電磁兼容、空間輻照等)設(shè)計(jì)理論與技術(shù)；
• 4、電器與電子系統(tǒng)可測性設(shè)計(jì)與健康管理；
• 5、電磁超聲無損檢測技術(shù);
• 6、產(chǎn)品質(zhì)量一致性穩(wěn)健設(shè)計(jì)與先進(jìn)制造技術(shù)。

研究所一直以國際前沿學(xué)術(shù)問題、國家重大需求為牽引，面向國民經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場，以企業(yè)技術(shù)難題和行業(yè)共性技術(shù)問題為導(dǎo)向，立足航天、航空(電器與電子系統(tǒng))，將產(chǎn)、學(xué)、研、用有機(jī)結(jié)合，完成或在研國家自然科學(xué)基金、國家863計(jì)劃、國防基礎(chǔ)科研、軍委裝備發(fā)展部預(yù)研和質(zhì)量工程、火箭軍裝備部型號研制等科研課題80多項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文400余篇(其中SCI和EI收錄200余篇)、授權(quán)發(fā)明專利80余項(xiàng)，榮獲國家科技進(jìn)步二等獎1項(xiàng)、省部級科技進(jìn)步獎5項(xiàng)。

研究所持續(xù)幫助30余家企業(yè)解決專業(yè)技術(shù)難題，合作企業(yè)包括航天一六五廠、國營第八九ー廠、國營第七九ニ廠、貴航電器、廈門宏發(fā)(全球最大的繼電器生產(chǎn)廠)、中航光電(國內(nèi)最大的連接器生產(chǎn)廠)等航天、航空繼電器連接器生產(chǎn)企業(yè)，以及沈陽鐵路信號公司、寧波天波港聯(lián)電子公司等民用繼電器生產(chǎn)企業(yè)。提練的行業(yè)共性基礎(chǔ)技術(shù)正在向全國推廣應(yīng)用。自2011年開始先后同國營第八九ー廠、廈門宏發(fā)、中航光電等十余家生產(chǎn)企業(yè)成立了聯(lián)合研發(fā)中心。

零聲科技有限公司專注于工業(yè)檢測設(shè)備開發(fā)和檢測技術(shù)服務(wù)。公司集電磁超聲換能器設(shè)計(jì)、控制與處理系統(tǒng)、智能算法等關(guān)鍵技術(shù)于一體，開展便攜式工業(yè)檢測專用儀器、基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的工業(yè)設(shè)備傷損在線監(jiān)測、在線自動化檢測產(chǎn)品開發(fā)和服務(wù)。產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域包括：石油石化行業(yè)的管道、高壓容器、大型儲罐等，鋼鐵行業(yè)的鋼板、鋼管、型材生產(chǎn)線自動化檢測等。

團(tuán)隊(duì)源于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，從事該領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)十余年，專利30余項(xiàng)。2018年零聲科技獲得中國創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽先進(jìn)制造行業(yè)優(yōu)秀企業(yè)、并得到聯(lián)想創(chuàng)投戰(zhàn)略投資。