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電磁超聲換能器（Electromagnetic Acoustic Transducers, EMATs）能夠無接觸地在金屬內部激發(fā)并接收超聲波，其利用通入內部線圈中的高頻激勵在被測試件表層趨膚深度內感生出渦流，在永磁體偏置磁場的作用下，試件表面質點受到洛侖茲力從而高頻振動，繼而在試件內部激發(fā)超聲波。電磁超聲技術在金屬無損檢測領域發(fā)揮了巨大的作用。

與傳統(tǒng)的壓電超聲檢測相比，電磁超聲檢測無需使用耦合劑，不需要對被測試件表面進行預處理，并且可以在高溫高壓等惡劣工況下進行正常檢測。目前，電磁超聲無損檢測已經(jīng)被廣泛應用于金屬的厚度測量、缺陷檢測、塑性損傷檢測等領域，逐漸成為一種國內外較為主流的無損檢測手段。

盡管電磁超聲檢測具有諸多優(yōu)點，然而相比于其他類型換能器，EMATs存在換能效率低、易受到電磁干擾等問題，其中傳統(tǒng)電磁超聲縱波換能器水平偏置磁場弱，導致?lián)Q能效率極低，對測量結果造成不利影響。為此，國內外學者做了大量的研究，以提高EMATs接收信號的信噪比。文獻研究表明，通過優(yōu)化換能器的永磁體尺寸及線圈參數(shù)，能夠有效提升回波幅值。

然而這些優(yōu)化并未考慮到線圈匝數(shù)的局限性，在永磁體可利用偏置磁場區(qū)域確定的情況下，增大導線寬度或導線間距勢必會減少線圈的有效工作匝數(shù)，從而影響回波幅值。此外，正交試驗優(yōu)選法只適用于各參數(shù)水平較少的場合，當所要考察的水平數(shù)較多時，正交試驗總試驗次數(shù)過多時，宜采用均勻試驗方法進行優(yōu)化。

對此，華東交通大學電氣與自動化工程學院蔡智超副教授研究團隊使用一種永磁體按照Halbach陣列排布的電磁超聲縱波換能器，并對其進行優(yōu)化設計。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖

他們在文章中首先介紹Halbach陣列縱波換能器結構及其工作原理；然后，利用COMSOL Multiphysics有限元軟件進行二維建模，分別采用正交試驗和均勻試驗方法，仿真中設置不同的線圈參數(shù)和匝數(shù)組合，改變永磁體提離距離，以尋求增強回波信號幅值的最佳方案，研究了不同電流頻率對聲衰減和一次回波幅值的影響；最后，分別使用優(yōu)化前、后換能器對本次優(yōu)化方案進行驗證。

圖2 換能器實物圖

研究結果表明：

1）Halbach陣列型永磁體排布能夠顯著增強水平方向磁場，增大垂直方向洛侖茲力，激發(fā)出更劇烈的縱波。

2）通過正交試驗和均勻試驗得到，當減小線間距、導線寬度、導線高度時，能夠使得回波幅值得到提升。仿真中優(yōu)化后回波幅值比優(yōu)化前兩種最佳方案分別提升了113%和61%，實驗中優(yōu)化后回波幅值比優(yōu)化前提升了83%。

3）Halbach陣列縱波換能器在工作時，永磁體與被測試件上表面之間的提離距離對接收到的信號幅值影響較大，當提離距離處于0.7~1.0mm范圍時，信號強度最高。

4）超聲波在試件內部傳播的衰減與激勵電流頻率有關，過高的電流頻率造成較大的聲波衰減，過低的電流頻率產(chǎn)生較小的回波幅值，選取6MHz左右的激勵頻率可以使得回波電壓幅值和有效回波數(shù)量維持在較為理想的水平，有利于進行后續(xù)檢測與數(shù)據(jù)處理。

本文編自2021年第21期《電工技術學報》，論文標題為“基于Halbach陣列電磁超聲縱波換能器優(yōu)化設計”，作者為蔡智超、李毅博。