电磁超声表面波换能器发射过程 的精确建模与分析

文章概况：电磁超声表面波换能器发射过程 的精确建模与分析 文章来自互联网，网正版下载 http://www.mat-test.com/html/file/20120601/20120601112549404940.pdf 康磊‘，李智超’，张晓霞2，张雨平“ (1.哈尔滨工业大学军用电器研究所 磊’，李智超’，张晓霞2，张雨平“ .哈尔滨150001;2.东北轻合金有限责任公司.哈尔滨150060) 摘要:针对具有曲折线圈结构的电磁超声表面波换能器模型精度较低问题，以铝合金板材表 层缺陷检测为背景.在考虑交变磁场影响前提下.通过将有限元方法与解析法相结合.建立了一个 精确描述电磁超声表面波换能器发射过程的三维模型。仿真分析表明.换能器在发射过程中产生 的交变磁场可激发出两倍频率成分的表面波;该表面波分量能够有效提高换能器的缺陷敏感度;增 加发射电流、降低提离距离均可显著增强该分量。试验验证了所建模型的有效性和精确性。 关键词:表面波;电磁超声换能器;曲折线圈;交变磁场 中图分类号:TG 115. 28文献标志码:A文章编号:1000-6656 (2012) 05-0001-06 Accurate M一〔Mina and Analysis for Transmission Process of Surface Wave EMATs ‘，‘ KAA\\\\C Lci，1.一Zhi-(hao，LIL1.\\\\C Xiao-Xiar，LILV\\\\C Yu-Pin犷 (1. Military Apparatus Research Institute, Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，CIII tilt: 2. Northeast Light Alloy Company, Harbin 150060, (China Abstract:To increase the accuracy of the model of the meander-line-coil surface wave EMATs used for the inspection of surface layer of aluminum plates，this paper established a novel 31) accurate model by combining numerical calculations and analytical solutions with special attention to the influence of the dynamic magnetic field. Simulation and analysis indicated that the frequency of the surface waves due to the dynamic magnetic field was twice of that due to the static magnetic field; the double-frequency surface wave component could effectively improve the sensitivity of the transducers:lx)th increasing transmitting current and decreasing lift-off distance could significantly enhance the comlxment. The validity and accuracy of the established model was verified by experiment. Key、 cords: Surface wave; Electromagnetic acoustic transducer; Meander-line coil:Dynamic magnetic field 铝合金板材是制造宇宙飞船、大型飞机、高速列 车等产品的主要材料〔，一“〕。然而.铝板表层在运输、 加工和应用过程中可能存在分层、夹杂、裂纹等缺 陷.降低了产品的可靠性。传统的压电超声无损检 测技术因存在盲区而难以有效检测板材的表层区 域。电磁超声表面波换能器(Surface Wave Elec- tromagnetic Acoustic Transducer.表面波EMAT ) 是一种非接触型超声表面波发射接收装置。该装置 兼顾电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer. EMAT)的非接触、高效率检测优势[3] 与表面波的表层缺陷敏感优势[[+-1.为试件表层缺陷 检测提供了一条有效的途径〔5-6]0 为了研究和改善EM八T的性能.研究者们建 立了多种EM八‘I数学模型〔卜”〕。这些模型不仅加 深了研究者们对EM八‘I换能机理的认识.而且也 为改善EMAT性能奠定了理论基础。 为了研究和改善EMAT的性能，研究者们建 立了多种EMAT数学模型[7-1’ ]。这些模型不仅加 深了研究者们对EMAT换能机理的认识.而且也 为改善EMAT性能奠定了理论基础。 为了便于计算.研究者们常对现有E MAT发 射过程的数学模型进行不同程度的简化[[11]。例如， 用二维模型代替三维实体.假设静磁场均一分布，或 未考虑EMAT工作过程中发射电流产生的交变磁 场的影响等〔7-10]。这些简化不可避免地降低了 EM八T模型的精度。为此.iian等人在文献[12〕基 础上对具有螺旋线圈结构的表面波EMAT进行了 建模研究.并重点考察了发射过程中交变磁场对模 型精度的影响[[13-1 1]。研究发现.忽略交变磁场的影 响将会严重影响EM八T模型的精度〔‘”〕。 目前关于具有曲折线圈结构的表面波EMAT 的精确建模研究仍鲜有报道。与螺旋线圈结构的表 面波EMAT相比.曲折线圈结构的表面波EMAT 具有更好的声场指向性.在工程中应用也更为广泛。 虽然文献[13-14」中的建模方法涵盖了交变磁场的 影响.能够对具有螺旋线圈结构的表面波EMAT 进行精确建模.但由于曲折线圈EMAT的洛伦兹 力力场很难像前者一样分解为一系列活塞力的形 式〔’卜’‘〕.因此该方法难以有效应用于曲折线圈结构 的表面波EMAT中。 笔者以铝合金板材表层检测为工程背景，针对 具有曲折线圈结构的电磁超声表面波换能器的发射 过程，提出了一种考虑交变磁场影响的三维精确建 模方法.并在所建模型基础上对EMAT的性能进 行了仿真分析。 1 EM AT换能机理及其控制方程 电磁超声换能器通常由线圈、磁铁和试件三部 分组成。工程应用中.表面波I:M八‘I常通过曲折 线圈与垂直或水平静磁场相互作用.产生具有较高 指向性的表面波。在非铁磁材料(如铝、镁等)中. EM八T的工作机理以洛伦兹力机理为主.其激发电 磁超声表面波的过程如图1所示。发射线圈中的高 频电流(电流密度为.，。)在铝板中产生交变磁场lill 和涡流密度。IE。涡流密度JE将分别与交变磁场场 以及永磁体提供的静磁场lB，相互作用.产生交变磁 场洛伦兹力关，和静磁场洛伦兹力f.。两种洛伦兹 力将驱使曲折线圈各匝导线下方的试件微粒做高频 生相长干涉.从而激发出具有较强指向性的电磁超 声表面波。 根据电磁学理论.EM八‘F在铝板中激发洛伦兹 力的过程可表示为: 式中11,，是交变磁场的磁场强度;肠，、和Y分别为铝 板的相对磁导率和电导率:,E是涡流产生的电场强 度:fd和./、是交变磁场和静磁场分别与涡流相互 作用产生的洛伦兹力密度:fl是几和.l、的合力密 度:I’’lJ是在给定体积V内的洛伦兹力。 有限元方法可以有效求解公式(1)一 (6)E，一，1.13-11].并获得表面波EM.AJ’涡流场、磁场、 洛伦兹力力场的精确分布。在洛伦兹力驱动下.铝 板表层将产生超声表面波。表面波的位移包括面外 位移、面内径向位移和面内切向位移三个分量。图 2给出了点力激发表面波的示意图。其中i z为垂 直铝板表面的点力(简称面外点力).Fr为平行铝