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430 2019 年 5 月

1.2 仿真结果分析 以电磁超声横波的近场长度和半扩散角为优化目
通过仿真计算可得到不锈钢板中各质点的运 标，要求近场长度尽可能短、半扩散角尽可能小，对
动情况。由电磁超声横波的激发原理可知，不锈钢 EMAT中的线圈进行优化设计。
板中质点 X 方向的振动是产生沿钢板厚度方向传 6.0
播的横波的直接原因。因此，通过分析不锈钢中质
5.0
点 X 方向的运动即可反映出电磁超声横波的传播 4.0
规律。
图 3 为不锈钢板 XOZ 截面内质点振幅的分布 ૝ࣨ/10 -7 mm 3.0
图。从图3可看出，横波声场的声束轴线与Z 轴近似 2.0
重合，整个声场关于 Z 轴对称分布，且 Z 轴上的声 1.0
场强度最强，向Z 轴两侧远离，声场强度逐渐减弱。 0
         
ഷฉ͜୧ᡰሏ/mm
4.55
4.5
 4.0 图 4 横波振幅沿声束轴线的变化规律
૝ࣨ/10 -7 mm   3.5 ૝ࣨ/10 -7 mm Fig. 4 The amplitude of shear wave varies along
3.0
the axis of sound beam
2.5
1.5
  2.0

֓  1.0 1.50
֓  0.5
֓
֓ ֓ X/mm 7.06T10 ֓ 1.00
Z/mm
图 3 不锈钢板 XOZ 截面内质点振幅的分布 ૝ࣨ/10 -7 mm -6 dB
Fig. 3 Distribution of particle’s amplitude in 0.50
XOZ section of stainless steel
0
图4 显示了横波传播过程中不锈钢板质点的振
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80
幅沿声束轴线的变化规律。可以看出，在距离声源
ੱஙᝈए⊳↼O↽
较近的区域，横波振幅的波动较大，无明显规律性
图 5 不锈钢板 XOZ 截面内 Z = −30 截线上各点
的变化趋势。当距离声源足够远时，横波的振幅单
振幅与扩散角度的关系
调减小。横波的最后一个极大值出现在距离波源
Fig. 5 The relation between amplitude and diffu-
11.2 mm 处。在声学中将此点称为近场点，近场点 sion angle at Z = −30 in XOZ section of stainless
与波源的距离称为近场长度。在近场区内，质点振 steel
动较为杂乱，利用横波进行测厚时，一般要求试件的
厚度大于横波的近场长度。 2 EMAT中线圈的优化设计
超声波的指向性是指超声波定向辐射和传播
的性质，通常用半扩散角来表示。在本模型中，在不 2.1 优化试验设计
锈钢板 XOZ 截面内作距离表面 30 mm 的截线，以 因EMAT中线圈的参数较多，其参数的取值范
截线上各点的振幅数据为基础，可作出截线上各点 围较广。因此，为提高优化设计效率，在已建立模型
的振幅与扩散角度的关系图，如图 5 所示。可看出， 的基础上，采用正交试验的方法进行EMAT线圈的
扩散角为0 处——截线与Z 轴的交点处振幅最大， 优化设计。同时，考虑到计算量的要求，本文选取线
◦
比最大振幅低6 dB处的扩散角即为半扩散角，本模 圈制作的 PCB 工艺中涉及到的导线宽度 w 3 、导线
型中横波的半扩散角为11.4 。 厚度 h 3 、导线间距 d 1 以及激励电流的频率 f 0 、周期
◦
通过上述对电磁超声横波的分析可知，其近场 数 n 五个参数作为优化对象。表 1 为根据常用标准
长度限制了检测对象的尺寸；半扩散角反映了超声 确定的线圈不同参数水平值，其余参数均取模型的
波的指向性，影响着超声回波的接收。因此，本文将 初始值。