蔡 壯, 吳運新, 龔 海, 吳雨唐

(1.中南大學 機電工程學院, 湖南 長沙 410083；2.中南大學 高性能復雜制造重點實驗室,湖南 長沙 410083)

0 引 言

電磁超聲無損檢測技術相比于壓電超聲無損檢測技術,具有很多顯著的優(yōu)點,譬如在工程實際應用時不需要耦合劑作為輔助材料、與待檢測工件不需要直接接觸、對環(huán)境沒有污染等顯著的優(yōu)點,在航空航天、大型構件制造過程得到了越來越廣泛的應用[1]。因此,國內外眾多學者對作為電磁超聲無損檢測技術的電磁超聲換能器(EMAT)進行多方面的研究[2～10]。

相比于壓電超聲換能器,電磁超聲表面波換能器的換能效率低是目前需要解決的難題,永磁鐵作為電磁超聲表面波換能器的核心部件,本文通過提出一種改進型的永磁鐵的布置方式,制作了一種改進型電磁超聲表面波換能器。

1 電磁超聲表面波換能器有限元模型

電磁超聲表面波換能器的結構部件主要由釹鐵硼長方體永磁鐵、間距相同的曲折線圈組成。鋁塊屬于非鐵磁性金屬材料,電磁超聲表面波換能器的工作機制是洛倫茲力的作用。圖1所示為電磁超聲表面波換能器在非鐵磁性試樣(鋁塊)激發(fā)表面波的工作原理。其激發(fā)過程為釹鐵硼長方體永磁鐵提供靜態(tài)磁場,曲折線圈中加載高頻大功率電流,由法拉第電磁感應定律和集膚效應以及鄰近效應可知高頻電流會在鋁塊表面產生動態(tài)磁場,并且在鋁塊表面感生出動態(tài)渦流。在鋁塊表面,渦流和靜態(tài)磁場以及動態(tài)磁場的矢量之和的叉乘產生洛倫茲力,洛倫茲力引起表面質點的周期性高頻振動,進而在鋁塊表面產生電磁超聲表面波。電磁產生換能器的接收過程為激發(fā)過程的逆過程。

圖1 電磁超聲表面波換能器工作原理

本文研究基于洛倫茲力機制的電磁超聲表面波換能器,主要包括釹鐵硼永磁鐵、間距相同的曲折線圈、被測鋁塊?？紤]到計算機的實際計算能力和降低計算時間,本文采用二維仿真代替三維仿真,仿真模型主要由以下4部分組成：長方形的空氣域、釹鐵硼永磁鐵、間距相同的曲折線圈、被測試鋁塊。傳統(tǒng)型電磁超聲表面波換能器采用整體長方形永磁鐵,改進型的電磁超聲表面波換能器采用4個具有固定1 mm間隔的并用塑料支撐板支撐的永磁鐵組成,如圖2所示。

圖2 電磁超聲表面波換能器結構對比

其中,整體磁鐵的寬度為40 mm,高度為10 mm,改進型的磁鐵的單個磁鐵的寬度為整個磁鐵的1/4,即10 mm,高度與整個磁鐵高度一致,并且每個磁鐵采用1 mm的間距,相鄰磁鐵磁極相反,磁鐵中間采用1 mm厚的塑料支撐板支撐。曲折線圈采用長方形線圈代替圓形線圈,線圈的寬度為0.5 mm,高度為0.05 mm,匝數(shù)為13匝,線圈的中心到磁鐵下表面和鋁塊上表面的距離分別0.5 mm,由于采用的是f=0.5 MHz的激勵電流,表面波的速度為C=3 000 m/s,根據(jù)公式L=C/2f,線圈間距L為3 mm。鋁塊的尺寸為寬度為100 mm,高度為20 mm,空氣域的寬度為200 mm,高度為100 mm。模型中材料的主要電學參數(shù)如表1所示。

表1 模型中材料的主要電學參數(shù)

模型中網格的大小對計算結果有著非常重要的影響,考慮到計算機的計算能力和計算成本,空氣域、永磁鐵、線圈采用自由三角形網格,最大單元大小分別為10.6,0.5,0.005 mm。鋁塊采用映射網格,最大單元大小為0.8 mm,考慮到電磁耦合的集膚效應,鋁塊的上表面采用邊界層,邊界層數(shù)為5,拉伸因子為1,第一層厚度為0.8 mm,鋁塊的上邊界采用自由邊界,其余邊界采用低反射邊界,防止反射回波對仿真結果的影響。模型的網格劃分結果如圖3所示。

圖3 模型網格劃分結果

2 有限元模型仿真分析

圖4顯示了傳統(tǒng)型和改進型的二維模型磁通密度分布和模型對應的表面的磁通密度分布。在兩種模型中的鋁塊的距離上表面的0.01 mm處,鋁塊的中心軸為對稱軸,取一條長度為50 mm二維截線,計算鋁塊表面的磁通密度。從圖4中可以看出,傳統(tǒng)型的Bx在左右兩側有兩個峰值,最大值為0.44 T,并且在中心處的值為0,改進型的Bx的有五個峰值,其中最大值為0.70 T,是傳統(tǒng)型的1.59倍；傳統(tǒng)型的By在左右兩側同樣有兩個峰值,最大值為0.22 T,改進型的By有四個峰值,其中最大值為0.47 T,是傳統(tǒng)型的2.14倍；傳統(tǒng)型的B在左右兩側有兩個峰值,最大值為0.44 T,改進型的B有五個峰值,其中最大值為0.71 T,是傳統(tǒng)的的1.61倍。綜上所述,改進型的電磁超聲表面波換能器對換能效率的提升有重要的作用。

圖4 磁通密度分布

圖5顯示了13 μs時傳統(tǒng)型和改進型電磁超聲表面波換能器激發(fā)的表面波總位移模擬結果,可以看到改進型激發(fā)的表面波總位移最大值為35×10-8mm,而傳統(tǒng)型激發(fā)的表面波的最大幅值為20×10-8mm,改進型電磁超聲表面波換能器激發(fā)的總位移是傳統(tǒng)型的1.75倍。圖6顯示了在距離鋁塊表面中心40 mm,距離上表面0.01的二維截點出的位移分量,其中改進型與傳統(tǒng)型的位移場x分量最大值分別為16×10-8mm和 9.2×10-8mm,改進型電磁超聲表面波換能器激發(fā)的表面波在該二維截點處位移場x分量是傳統(tǒng)型的1.73倍；其中改進型與傳統(tǒng)型的位移場y分量最大值分別為2.2×10-7mm和 1.92×10-7mm,改進型電磁超聲表面波換能器激發(fā)的表面波在該二維截點處位移場y分量是傳統(tǒng)型的1.14倍。從有限元模型的模擬結果可知,改進型電磁超聲表面波換能器激發(fā)的表面波幅值與傳統(tǒng)型的電磁超聲表面波換能器激發(fā)的表面波幅值相比，具有明顯的提高。

圖5 有限元模擬總位移

圖6 鋁塊表面二維截點的位移

3 實驗驗證與分析

圖7為電磁超聲表面波換能器傳統(tǒng)型和改進型中的關鍵部件磁鐵的實物和實驗系統(tǒng)。傳統(tǒng)型采用的是長40 mm，寬40 mm，高10 mm的釹鐵硼永磁鐵,改進型采用4塊長40 mm，寬10 mm，高10 mm的相同尺寸的釹鐵硼永磁鐵,剩余磁通密度均為1.2 T。電磁超聲表面波換能器所采用的具有相同間隔的曲折線圈為PCB線圈,導線寬為0.25 mm,銅層厚度為0.035 mm。實驗系統(tǒng)圖主要由安裝LabVIEW的計算機、采集卡PCI8544、電磁超聲主機Retic RPR—4000、激發(fā)阻抗匹配、接收阻抗匹配、激發(fā)探頭和接收探頭。設置脈沖電流的激勵頻率為0.5 MHz,最大幅值為50 A的正弦脈沖電流。

圖7 電磁超聲表面波換能器磁鐵實物和實驗系統(tǒng)

圖8為電磁超聲表面波換能器傳統(tǒng)型和改進型接收探頭實測電壓值。其中,傳統(tǒng)型電磁超聲表面波換能器接收電壓幅值最大值為4.05 mV,改進型電磁超聲表面波換能器接收電壓幅值最大值為7.94 mV,改進型電磁超聲表面波換能器接收電壓幅值最大值為傳統(tǒng)型的1.92倍,實驗結果與仿真結果相近。由于兩種結構的換能器在相同的實驗環(huán)境下進行的測試,并且采用的是相同的曲折線圈,所以接收電壓幅值的提升是由于磁鐵結構的改變。

圖8 電磁超聲表面波換能器傳統(tǒng)型和改進型的實測電壓幅值

4 結 論

本文設計了一種改進型電磁超聲表面波換能器。相比于傳統(tǒng)型電磁超聲表面波換能器采用整體永磁體,本文設計的換能器采用具有1 mm固定間隔的周期性永磁體。仿真結果和實驗結果表明：改性型電磁超聲表面波換能器的換能效率明顯高于傳統(tǒng)型電磁超聲換能器的換能效率。