横波电磁超声相控阵换能器设计
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
哈尔滨工业大学电器与电子可靠性研究所的研究人员翟国富、梁宝、贾文斌、杨金旭、汪开灿，在2019年第7期《电工技术学报》上撰文，针对横波电磁超声相控阵换能器声场分布特征不明确的问题，采用有限元方法仿真分析不同换能器设计参数下横波声束偏转特征变化规律，据此提出横波电磁超声相控阵换能器设计方法。
研究表明，横波位移分布受频率影响较小，但受阵元宽度影响明显。其中，0.2 mm阵元宽度激发产生的横波在±35o范围内位移分布平稳，随着阵元宽度的增加，横波能量朝向0o位置聚集。考虑到平稳位移分布更有利于保证相控阵换能器缺陷检测精度，因此采用0.2 mm阵元宽度设计横波电磁超声相控阵换能器。
此外，阵元间距选择和声束偏转角度控制的研究结果能够为横波电磁超声相控阵换能器设计提供快速、准确的指导。最后，实验验证了仿真模型的有效性。
超声相控阵技术具有检测速度快、精度高和声束偏转控制灵活等特点，已广泛应用于工业无损检测和无损评估领域。超声相控阵换能器一般指压电超声相控阵换能器，在检测过程中，为保证压电晶片与待测试件有良好的声阻抗匹配，需要使用耦合剂。耦合剂的存在，限制了压电超声相控阵技术在高温、高速等恶劣环境中应用。相较于压电超声相控阵技术，电磁超声相控阵技术结合了电磁超声技术非接触检测优势和相控阵技术精确控制声束偏转及聚焦特点，因此具有广阔的应用前景。
然而，目前电磁超声相控阵技术尚处于起步阶段，限制其发展的主要因素包括电磁超声相控阵换能器声场分布特征不明确、换能器设计方法研究不足以及相控阵实验平台匮乏等。为解决电磁超声相控阵实验平台匮乏的问题，北京工业大学王新华等和哈尔滨工业大学杨金旭采用D类功率放大器电路实现相控发射电路功率放大，成功开发出电磁超声相控实验平台。
为解决电磁超声相控阵换能效率低的问题，J. Isla等采用在骨架模型上绕制多匝线圈方法设计电磁超声相控阵换能器，显著提高了相控换能效率。但骨架线圈绕制过程中受人为因素影响明显，存在难以准确控制线圈设计参数问题，这在一定程度上限制了骨架型电磁超声相控阵换能器的进一步发展。
在相控阵换能器参数设计方面，需要考虑的关键参数包括阵元数、阵元宽度、激励频率、阵元间距和偏转角度等。一般认为，阵元数越多或阵元间距越大，相控阵换能器的声束指向性越好。然而，过大的阵元间距可能引起栅瓣产生。栅瓣对相控阵检测精度具有不利的影响。
例如，相控扇扫成像时存在栅瓣，将引起伪像产生。为避免栅瓣产生且保证相控阵换能器具有好的指向性，压电超声相控阵换能器一般选用阵元数目大于64和阵元间距小于1/2波长的设计参数。相较于压电超声相控阵，现阶段电磁超声相控阵实验平台的阵元数较少，一般为8阵元。为提高电磁超声相控阵换能器声束指向性，选用恰当的阵元间距，则有必要研究阵元间距和栅瓣之间的关系。
在电磁超声相控阵换能器声场分布特征研究方面，虽然压电超声相控阵声场分布理论研究已经十分成熟，但不能将压电超声相控阵声场分布理论直接应用于电磁超声相控阵换能器设计。原因是压电超声是通过压电晶片振动在试件表面产生超声纵波；而电磁超声是基于电磁耦合机理，根据磁铁与线圈的组合，能够在试件趋肤层内产生多种模式波形。故换能器设计参数对电磁超声相控阵声场分布特征影响规律有必要进一步研究。
本文针对横波电磁超声相控阵换能器声场分布特征不明确的问题，采用有限元方法建立电磁超声相控阵换能器二维多物理场模型，仿真分析不同换能器设计参数下横波声束偏转特征变化规律，据此提出横波电磁超声相控阵换能器设计方法。其中，仿真分析的设计参数包括阵元宽度、激励频率、阵元间距和偏转角度。本文研究结果能够为横波电磁超声相控阵换能器设计提供快速和准确的指导。
图7 单阵元EMAT声场分布实验平台
图9 电磁超声相控阵实验平台
针对横波EMAT相控阵声场分布特征不明确的问题，采用有限元方法分析不同换能器设计参数下横波声束偏转特征变化规律，据此提出横波EMAT相控阵设计方法。所得结论如下：
1）单阵元EMAT的横波位移幅值随频率升高而逐渐下降，而横波位移分布基本不受频率变化影响。
2）线宽对横波EMAT位移分布影响明显，当线宽≤0.2 mm时，横波在±35o范围内位移分布平稳，而当线宽>0.2 mm时，横波能量朝向0o位置聚集。考虑到平稳的位移分布更有利于保证相控阵换能器缺陷检测精度，故采用0.2 mm线宽设计横波电磁超声相控阵换能器。
3）虽然已有文献提出了用于消除栅瓣的最大阵元间距计算公式，但还不足以指导EMAT相控阵的阵元间距设计。综合考虑阵元间距对横波EMAT相控阵换能器的主瓣宽度和栅瓣峰值影响情况，建议采用0.7λ～0.8λ阵元间距设计横波EMAT相控阵。
4）在±35o范围内，横波EMAT相控阵的设计偏转角度与仿真得到的偏转角度基本一致，随着角度的增大，设计偏转角度与仿真得到的偏转角度误差逐渐增大。故横波EMAT相控阵的设计偏转角度应控制在±35o范围内。