Page 191 - 《应用声学》2025年第3期

第 44 卷 第 3 期 杨超等： 基于电磁 -压电混合结构的超声波穿金属通信系统 725

1.2 EMAT换能器设计 前还没有一套成熟的理论公式可以非常明确地指
根据上述公式，不同形状的线圈和偏置磁场方 导换能器的设计 [22−23] 。
向可以产生不同类型的超声波，包括横波、纵波、兰 市场上商用的 EMAT都是用于无损检测，厂家
姆波、剪切波 [20−21] 。为简化 EMAT的设计和制作， 一般不提供 EMAT 内部结构的详细参数，工作模
本文采用螺旋线圈结构来产生超声横波。换能器的 式设计为瞬时脉冲激励。考虑到在通信场景下，需
几何结构如图1所示。 要 EMAT 在一段时间内连续工作，而激励 EMAT
产生超声波时需要较大功率的电流，因此市场上的
D
EMAT 难以用于本文工作。基于此，本文决定自行
S 设计 EMAT。首先考虑的是线圈，它必须是扁平结
L magnet 构。由于线圈需承受较大的电流且需维持一段时间，

N 印制电路板结构的线圈难以胜任这一要求，因此选
择了漆包线绕制线圈。通常，扁平结构的线绕线圈
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l B s r  t 需要专用设备进行制作，而这在本实验室里难以完
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᧛࡛ܞ 成，因此能选择的只有定制的线圈或市场上现有的
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线圈。又考虑到定制成本较高且生产周期较长，因
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此最终选择了市场上能找到的绕制扁平螺旋线圈，
图 1 EMAT 几何结构和能量转换原理 实物如图 2(a) 所示。其次是磁体的考虑，由于 N52
Fig. 1 EMAT geometry and energy conversion 永磁铁可以提供较强的稳定磁场，因此选用该型号
principle 的永磁体。结合本文所选用线圈尺寸以及市场上的

图 1 中 D 为永磁铁宽度；L magnet 为永磁铁高 磁铁尺寸，选择直径为 30 mm 的永磁铁。文献 [14]
度；l 为永磁铁距离金属壁距离，该距离越小，金属趋 表明，圆柱形永磁体的厚度直径比对EMAT的偏置
肤深度内的偏置磁场强度越大；s 为线圈导线间的 磁场有显著影响，当厚度直径比小于 1 时偏置磁场
间距；r 1 为线圈内半径；r 2 为线圈外半径；t 为线圈 随永磁体厚度增大而快速增大；当厚度直径比趋近
导线直径；B s 为永磁铁产生的静态偏置磁场；F s 为 于 1 时偏置磁场随永磁体厚度增大而增加缓慢。直
金属中涡流所受到的洛伦兹力。洛伦兹力的大小决 径为 30 mm 的永磁铁的磁场强度与厚度和径向距
定着所激发超声波的大小，洛伦兹力越大，超声波 离的关系如图 2(b) 所示，r 表示距离永磁体中心的
振幅越大；由于偏置磁场通过永磁铁提供，因此可 径向距离。可以看到当厚度直径比趋近于 1 时，磁
以假定 B s 保持恒定，则洛伦兹力只与涡流有关。在 感应强度随厚度 h 增长缓慢，且在径向距离等于半
EMAT 的实际设计中，其影响因素众多，包括磁铁 径时，磁场强度的衰减最快。基于以上分析，柱形永
直径和厚度、线圈的尺寸、线径、线间距、匝数等，目 磁铁尺寸选择30 × 30 mm，实物如图2(c)所示。

0.7
r=0 mm
r=14 mm
0.6 30 mm
3.08 mm r=15 mm
0.5
ᇓڤूए B s /T 0.4 30 mm
0.3

28 mm 0.2
0.1
0
0 10 20 30 40 50 60
Ԓए h/mm
(a) ጳڔࠄྭڏ (b) භᇓᨡᇓڤѬ࣋ (c) භᇓᨡࠄྭڏ
图 2 EMAT 实物图
Fig. 2 EMAT physical drawing