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第 38 卷 第 3 期 阳能军等： 电磁超声横波换能器中线圈的优化设计 429

传播特性，对钢板厚度设置了较大值，钢板尺寸为
0 引言
50 mm × 50 mm × 40 mm (w 2 × l 2 × h 2 )。
电磁超声无损检测技术在金属板材的厚度测 Z Y
量中有着广泛应用 [1−3] 。目前，用于测厚的超声波 භᇓ ʹ
h 1
主要有纵波和横波两种。当电磁铁产生的磁场平行 l 1
w 2 X
O
于工件表面时，工件表面质点的振动方向和波的传
播方向一致，此时产生的是纵波；当电磁铁产生的磁
h 2 ˀᩡᨂ౜ l 2
场垂直于工件表面时，工件表面质点的振动方向平
w 2
行于工件表面，垂直于波的传播方向，此时产生的是 (a) ቡʹڏ
横波 [4] 。在同种材料的传播中，横波的波速约为纵
波的一半，所以相同频率下横波波长为纵波的一半，
භᇓʹ
这使得横波的检测精度相对较高；此外，由于在传播
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过程中横波的衰减速率相对较慢，穿透力更强，因此 t 1 h 3 d 1 w 3 t 2
更适用于测厚。在以往的研究中，针对电磁超声横 ˀᩡᨂ౜
波换能器的优化问题，已有的结论包括：减少电磁 (b) ˟᜽ڏ
超声换能器 (Electromagnetic acoustic transducer, 图 1 EMAT 模型示意图
EMAT) 提离距离，增大激励电流大小或设计合适 Fig. 1 Schematic of the EMAT model
的永磁体和线圈的宽度比，以提高激发横波的强 线圈采用了蝶形线圈，为简化计算，只对线
度 [5−6] 。然而上述优化主要以提升换能器的换能效 圈的有效检测区域进行建模，可简化成 20 根直导
率为目的，未考虑到横波具体的传播特性。在运用 线，导线平行 Y 轴，关于 Y 轴对称且等间距分布。
超声波进行测厚时，为提高测量精度，要求超声波的 目前，EMAT 线圈主要采用印刷电路板 (Publish-
半扩散角及近场长度尽可能小 [7] ，而超声波的传播 ing circuit board, PCB) 工艺制成，参考《PCB 印
特性主要受线圈的结构参数影响。因此，本文以改 刷电路设计标准手册》和 GB 4721—84 对印刷电
善横波在 1Cr18Ni9Ti 不锈钢材料中的传播特性为 路用铜箔层尺寸参数的规定，将导线尺寸设定为
优化目标，对横波EMAT中的线圈进行优化设计。 0.25 mm × 15 mm × 0.035 mm (w 3 × l 3 × h 3 )，相邻
导线间距为0.2 mm，线圈提离距离为0.5 mm。线圈
1 横波EMAT中声场的仿真分析
中的高频电流为 2 MHz 的正弦交流电，电流幅值为
20 A，电流激励时间为一个周期。
1.1 横波EMAT三维模型的建立
由于集肤效应的存在，不锈钢板中的感应电流
采 用 多 物 理 场 仿 真 软 件 COMSOL Multi-
主要存在于集肤深度内，这也是电磁耦合的集中区
physics 对横波 EMAT 中声场进行仿真分析，横波
域。因此，为了兼顾模型的准确性和计算量的要求，
EMAT 的模型主要由永磁体、线圈、不锈钢板和空
在线圈正下方不锈钢板三倍集肤深度内进行网格
气场组成，如图1所示(略去了空气场)。
细化，其他区域采用自由四面体网格进行划分。图2
模型中的永磁体为方形钕铁硼磁铁，磁化方
为细化区域网格划分截面图。
向为 Z 轴负方向。剩余磁场强度为 1.21 T，矫顽力
为 915 kA/m，最大磁能积为 279 kJ/m ，尺寸为 භᇓʹ
3
20 mm × 20mm × 15 mm (w 1 × l 1 × h 1 )，提离距
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离 t 1 (永磁体下表面距不锈钢板上表面的距离) 为
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2 mm。被测试件材料为1Cr18Ni9Ti不锈钢板，是我
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国液体火箭和导弹推进剂卧式储罐的常用材料，具 ጺӑࡏ
有各向同性，电导率为4.032×10 S/m，相对磁导率
6
3
为 1，密度为 7850 kg/m ，杨氏模量为 2 × 10 11 Pa， 图 2 细化区域网格划分截面
泊松比为 0.33。为充分分析电磁超声波在钢板中的 Fig. 2 The section of mesh refinement region