电磁超声表面波辐射声场的三维有限元分析

　　电磁超声换能器(EMAT)已经成为工业无损探伤的重要发展方向之一，它具有传统的超声换能器所不具备的优点，可以在无需耦合介质和无需对试件预处理的情况下对被测试件进行非接触检测，可应用于自动、远距离危险环境、高温和高速状态等诸多方面的检测[1].

　　国内外学者对EMAT辐射声场的研究已经取得了一定的成果. 通过数学建模计算的方法对在半无限大介质中EMAT产生的辐射声场的指向性计算，可以得到与实验验证结果符合良好的指向性结果[2-3]. 在非铁磁性材料中针对EMAT洛仑兹力机制，采用建立二维有限元模型的仿真分析方法，简化了数学建模计算的复杂性，可以得到被测试件内部结构力场分布情况[4-6].

　　为了避免三维实体简化成二维模型分析所带来的局限性，更直观、全面地反映被测试件中结构力场分布，进而体现EMAT辐射声场指向性信息，本文根据EMAT辐射声场原理，在对EMAT模型进行优化的基础上，利用 ANSYS耦合场分析，对电磁场和结构力场进行耦合，得到被测试件内部及表面不同方向质点的位移变化，分析了在被测试件内部及表面的辐射声场分布. 通过实验验证了指向性仿真结果的正确性和有效性.

　　1 EMAT换能原理

　　EMAT形式多样，主要组成部分由激励线圈、能够提供偏置磁场的电磁铁或永久磁铁和被测试件3部分组成. 被测试件为非铁磁性材料时，其换能机制主要为洛伦兹力机制[7]. 产生表面波的高频线圈与磁铁的配置多种多样，较为常见的激发电磁超声表面波的换能原理如图1所示.

　　电磁超声表面波的激励是由外接电路提供的高频大功率激励电流JC，在非铁磁性被测试件中产生交变电磁场B，并感生出涡流 JE; 永磁体提供的偏置磁场使产生感生涡流的被测试件内部质点受到洛伦兹力F的作用，在其作用下而引发试件表面质点的高频振动，就会产生沿被测试件表面传播的电磁超声表面波.当激励线圈的相邻导线间距a与表面波波长λ满足相位匹配条件时，即a为λ的1/2时，就会使得声波幅度达到最大[8].电磁超声表面波的接收是其发射的逆过程.

　　根据电磁学基本原理将上述过程[9]表示为

　　式中: H为激励电流产生的磁场强度; JC为激励电流密度; B为激励电流产生的磁感应强度; μ为被测试件的相对磁导率; E为被测试件内涡流场的电场强度; γ为被测试件的电导率; J为涡流密度; BS为永磁铁产生的偏置磁感应强度; F为被测试件受到的洛伦兹力.由式(5)可知，洛伦兹力F与涡流密度J、偏置磁感应强度BS和激励电流产生的磁感应强度B成正比.