Page 103 - 无损检测2023年第十一期

张义涛, 等:

基于偏置磁场 EMAT 表面波换能器效率的分析

结果更加准确, 将涡流趋肤层的网格细化, 同时将试
2 EMAT激励表面波有限元模型
件两侧和底面设置为反射边界以避免边界反射回波
2.1 静态磁场分析 的影响。
建立静态磁场分析模型如图2所示, 模型由永
磁铁, 曲折线圈和试件组成。在模型中设置二维截
线, 二维截线长为 70mm , 二维截线整体都在空气

域内部, 以避免空气域边缘的影响。

图4 EMAT 激励表面波二维模型
表1 EMAT激励表面波二维模型参数

参数 数值 参数 数值
-1
试件( 长×宽)/ mm 300×50 试件电导率 /( S · m ) 1.43×10 7
永磁体( 长×宽)/ mm 33.7×33.7 试件相对磁导率 1
-1
空气域( 长×宽)/ mm 90×100 线圈电导率 /( S · m ) 6×10 7
图2 静态磁场分析模型 趋肤层 / mm 30×0.15 线圈相对磁导率 1
线圈 / mm 0.3×0.05 激励频率 / MHz 0.5
磁铁的磁通密度模在试件表面的分布规律如图
磁剩余磁密 / T 1.2 激励电流幅值 / A 10
3所示, 可以发现试件表面在磁铁边缘处的磁通密 线圈提离 / mm 0.1 电流脉冲数 6

-1
度模大于磁铁内部的, 且越靠近磁铁正下方, 磁通密 线圈间距 / mm 2.6 表面波声速 /( m · s ) 2940
度模越小, 其中磁铁边缘的磁通密度模比内部最小 偏置 EMAT 换能器激励的表面波传播过程如

值大0.21T 。根据公式( 5 ) 可知, 在磁铁边缘下方 图5所示, 偏置 EMAT 换能器激励出表面波沿试件
的试件质点会受到更大的洛伦兹力, 从而激励产生 表面传播, 表面波能量主要集中在 1-2λ , 符合理

幅值更大的表面波。 论, 同时会在试件内部产生寄生横波, 寄生横波衰减
比表面波快。计算出仿真模型中的表面波声速为

2990m · s , 与 理 论 值 偏 差 1.7% , 表 明 偏 置
-1
EMAT 换能器模型的准确性。

图3 试件表面磁通密度模分布规律
2.2 基于偏置磁铁 EMAT激励表面波仿真分析
常规 EMAT 表面波换能器中的线圈往往置于
磁体正下方, 导致 EMAT 换能器没有充分利用到

磁场的边缘磁场。考查常规 EMAT 和偏置 EMAT
换 能 器 的 激 发 效 率, 建 立 常 规 EMAT 和 偏 置
EMAT 激励表面波二维模型如图4所示( 模型参数
如表1所示), 两模型中只有磁体位置不同, 其他参
数均相同。首先采用单根线圈作一匝激励线圈, 共 图5 表面波在试件中的传播过程
10匝线圈, 线圈中心距为波长一半, 线圈总宽度为 偏置 EMAT 和常规 EMAT 激励的表面波在

23.7mm 。偏置 EMAT 中的磁铁一侧位于线圈中 磁铁外部二维截点( 80mm , 29.9mm ) 处的位移 y

心, 而常规 EMAT 磁铁在线圈正上方。为了仿真 方向时域分量如图6所示, 可见, 偏置 EMAT 激励
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2023年 第45卷 第11期
无损检测