基于COMSOL的线聚焦EMAT声场特性仿真分析*

潘奕宏, 吴运新, 吴雨唐, 蔡 壮

(1.中南大学 轻合金研究院,湖南 长沙 410083; 2.中南大学 高性能复杂制造国家重点实验室,湖南 长沙 410083)

0 引 言

电磁超声换能器(electromagnetic acoustic transducer,EMAT)无需耦合剂，能够克服高温、被测物表面粗糙等极端工况，实现快速在线检测，被广泛应用于材料测厚和缺陷检测等领域[1～5]。为了提高EMAT的换能效率和信噪比，国内外研究人员从提离敏感性、改善磁通路、电路匹配、线圈的优化设计等不同方面进行了研究[6～9]。为了进一步增强EMAT的检测效果，提高微小裂纹或点状缺陷的检测精度，研究人员通过线聚焦或点聚焦的方式提高EMAT的性能[10～15]。其中，Ogi团队[10,11]提出了线聚焦型EMAT，其采用改变匝间距的曲折线圈设计，成功检测到0.05 mm深的缝隙。文献[12]应用双曲折线圈，设计出单侧辐射的线聚焦EMAT，增强了聚焦侧的超声波信号幅值。于腾飞[15]对聚焦型换能器的永磁体尺寸进行了优化设计，并设计了配套使用的电磁超声检测平台硬件系统。对于聚焦型EMAT，要求在设计的焦点处有更高的信号幅值和更集中的声聚焦能量分布，因此，在设计聚焦型EMAT的过程中也需要考虑其声场特性[13]。然而，针对线聚焦EMAT的关键参数对其超声信号幅值和声场能量分布的研究尚不深入和完善。

本文将换能器激发过程视为一个整体，建立了线聚焦EMAT的二维有限元时域模型，研究了线聚焦EMAT所激发超声波的声场特性，分析了激励周期、聚焦距离和线圈匝数对线聚焦主瓣峰值和声束宽度的影响，揭示换能器关键参数对其线聚焦性能的作用规律，对指导实际的应用过程具有重要意义。……