單向表面波電磁超聲換能器優化設計

摘 要： 電磁超聲表面波因在板材中的水平方向上傳播時具有能量衰減較慢的特性，故廣泛應用于板材的表面或近表面缺陷檢測。相較于雙向表面波，單向表面波能量集中在換能器的一個方向，從而使增強側的表面波更能夠識別微小缺陷。為提高單向表面波換能器對微小缺陷的檢測靈敏度和精度，該文提出一種基于Halbach 陣列的永磁鐵結構，對比優化前后的磁場、渦流、洛倫茲力及位移場分布；研究分析在增強側表面波遇到不同裂紋缺陷的響應特征，對微小裂紋進行定位分析，并通過仿真分析得出反射系數、透射系數與微小裂紋深度、寬度、傾角之間的變化曲線，實現對微小裂紋缺陷的量化分析。

關鍵詞： 電磁超聲換能器; 單向表面波; 仿真分析; 優化設計; 裂紋缺陷響應特征

中圖分類號： TB9; TB552 文獻標志碼： A 文章編號： 1674–5124（2025）03–0087–09

0 引 言

電磁超聲檢測技術是通過電磁耦合在金屬材料中激發和接收各種超聲波，實現對不同金屬板材和管材的檢測目的。在檢測過程中，電磁超聲換能器（electromagnetic acoustic transducer，EMAT） 無需聲耦合劑，可實現非接觸式、高溫環境檢測[1-3]。

目前，對雙向電磁超聲波EMAT 的研究較為豐富。然而，雙向超聲波傳播時的能量較低，通常需要對接收信號進行放大才能完成缺陷檢測。

針對雙向電磁超聲EMAT 激發效率低的問題，楊理踐等[4] 提出了多陣元激發換能器陣列用于鋼板缺陷檢測，并利用延時法將超聲波在目標區等相位相加以實現超聲波聚焦，但是相控陣技術成本較高，并且對每個換能器的位置布置要求較嚴格，不易于操作。楊三虎等[5] 通過調控陣列EMAT 各個陣元的延遲激勵時間較好地實現了單一S0 模態的激發與增強，在檢測中更容易區分回波信號。李建等[6] 分析了永磁體不同放置方式和幾何尺寸對換能器激勵洛倫茲力大小的影響，并應用正交試驗法對蝶形線圈的幾何尺寸參數進行優化設計，提高橫波測厚效率。岑鑫等[7] 以鐵磁性材料鋼板為檢測對象，通過增大蛇形線圈的即電流幅值、線圈間距、減小線圈橫截面積等提高了Lamb 換能器的換能效率。Guo 等[8] 提出了一種基于電磁聲學換能器（EMAT） 和脈沖渦流檢測（PECT） 的混合缺陷物理透視融合無損檢測方法，可以檢測鐵磁性和非鐵磁性材料表面和內部不同寬度、深度、方向的缺陷，并應用在管道焊縫厚度變化監測和缺陷檢測。Huang等[9] 針對SH 導波雙向傳播中存在的分散超聲波難以識別缺陷的問題，設計了一種由扇形周期永磁體（PPM）和向心導體構成的單向聚焦型換能器結構，但是非聚焦側依然存在較大回波。Jia 等[10] 設計了能夠實現單向聚焦的線圈，此線圈使換能器的一側體波得到增強，另一側體波得以削弱，并使超聲波在增強側完成聚焦，從而提升了體側缺陷檢測的靈敏度。劉素貞等[3] 利用惠更斯原理建立了單向表面波EMAT，研究了增強側表面波遇到不同缺陷的響應特征并進行了定位和量化分析。

基于Halbach 陣列原理的永磁體結構可以有效地提高磁場強度，從而提升換能器激發超聲波的信號強度。此結構最早由Klaus Halbach 教授提出，目前廣泛應用于高速電機、高精度伺服電機中[11]。2018 年，唐東林等[12] 對比了傳統永磁體與基于Halbach 陣列的永磁體對接收信號幅值的影響；2021 年，蔡智超等[13] 設計了基于Halbach 永磁體陣列的電磁超聲縱波換能器； 結果均顯示基于Halbach 陣列的永磁體能夠產生更強的偏置磁場強度，以此提高了接收信號的幅值。目前，將Halbach陣列原理應用在表面波檢測的研究相對較少，原因是Halbach 陣列永磁體的各個磁場方向差異很大，對激發表面波會產生干擾。

本文采用有限元軟件COMSOL Multiphysics對用于鋁板檢測的單向表面波EMAT 進行建模和仿真分析。為了提高單向表面波EMAT 對微小缺陷的檢測靈敏度，提出基于Halbach 陣列原理的永磁體結構，設計了并聯三分裂的曲折線圈以解決表面波波形的畸變現象，并對微小裂紋進行了定位分析和量化分析。

1 單向表面波EMAT 理論背景及仿真分析

1.1 理論背景

在非鐵磁材料中，EMAT 產生超聲波主要是由洛倫茲力引起的。用于鋁板缺陷檢測的曲折線圈單向表面波EMAT 換能機理如圖1 所示。通常情況下，基于洛倫茲力機理的EMAT 的工作原理如下：永磁體提供偏置磁場Bs，線圈A 和B 中通入相位差為90°的高頻交變電流，其附近會產生交變磁場Bd，并在試件的趨膚深度內感生出同頻率、反向的渦流。渦流與磁場的相互作用產生洛倫茲力FL；被測試件內的質點受到洛倫茲力的作用進行高頻往復振動并以一定的速度和位移在試件中傳播，以此形成電磁超聲波。

永磁體提供的偏置磁場是散度為零的無源磁場，可以用以下等式表示：