蔡 壯, 吳運(yùn)新, 龔 海, 吳雨唐

(1.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.中南大學(xué) 高性能復(fù)雜制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410083)

0 引 言

電磁超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)相比于壓電超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù),具有很多顯著的優(yōu)點(diǎn),譬如在工程實(shí)際應(yīng)用時(shí)不需要耦合劑作為輔助材料、與待檢測(cè)工件不需要直接接觸、對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染等顯著的優(yōu)點(diǎn),在航空航天、大型構(gòu)件制造過(guò)程得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1]。因此,國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)作為電磁超聲無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的電磁超聲換能器(EMAT)進(jìn)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(guò)提出一種改進(jìn)型的永磁鐵的布置方式,制作了一種改進(jìn)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(jié)構(gòu)部件主要由釹鐵硼長(zhǎng)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(jī)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(guò)程為釹鐵硼長(zhǎng)方體永磁鐵提供靜態(tài)磁場(chǎng),曲折線圈中加載高頻大功率電流,由法拉第電磁感應(yīng)定律和集膚效應(yīng)以及鄰近效應(yīng)可知高頻電流會(huì)在鋁塊表面產(chǎn)生動(dòng)態(tài)磁場(chǎng),并且在鋁塊表面感生出動(dòng)態(tài)渦流。在鋁塊表面,渦流和靜態(tài)磁場(chǎng)以及動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)的矢量之和的叉乘產(chǎn)生洛倫茲力,洛倫茲力引起表面質(zhì)點(diǎn)的周期性高頻振動(dòng),進(jìn)而在鋁塊表面產(chǎn)生電磁超聲表面波。電磁產(chǎn)生換能器的接收過(guò)程為激發(fā)過(guò)程的逆過(guò)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(jī)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(cè)鋁塊?？紤]到計(jì)算機(jī)的實(shí)際計(jì)算能力和降低計(jì)算時(shí)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(zhǎng)方形的空氣域、釹鐵硼永磁鐵、間距相同的曲折線圈、被測(cè)試鋁塊。傳統(tǒng)型電磁超聲表面波換能器采用整體長(zhǎng)方形永磁鐵,改進(jìn)型的電磁超聲表面波換能器采用4個(gè)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(jié)構(gòu)對(duì)比

其中,整體磁鐵的寬度為40 mm,高度為10 mm,改進(jìn)型的磁鐵的單個(gè)磁鐵的寬度為整個(gè)磁鐵的1/4,即10 mm,高度與整個(gè)磁鐵高度一致,并且每個(gè)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(zhǎng)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(lì)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(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 模型中材料的主要電學(xué)參數(shù)

模型中網(wǎng)格的大小對(duì)計(jì)算結(jié)果有著非常重要的影響,考慮到計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力和計(jì)算成本,空氣域、永磁鐵、線圈采用自由三角形網(wǎng)格,最大單元大小分別為10.6,0.5,0.005 mm。鋁塊采用映射網(wǎng)格,最大單元大小為0.8 mm,考慮到電磁耦合的集膚效應(yīng),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(duì)仿真結(jié)果的影響。模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。

圖3 模型網(wǎng)格劃分結(jié)果

2 有限元模型仿真分析

圖4顯示了傳統(tǒng)型和改進(jìn)型的二維模型磁通密度分布和模型對(duì)應(yīng)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(duì)稱軸,取一條長(zhǎng)度為50 mm二維截線,計(jì)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(cè)有兩個(gè)峰值,最大值為0.44 T,并且在中心處的值為0,改進(jìn)型的Bx的有五個(gè)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(cè)同樣有兩個(gè)峰值,最大值為0.22 T,改進(jìn)型的By有四個(gè)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(cè)有兩個(gè)峰值,最大值為0.44 T,改進(jìn)型的B有五個(gè)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(jìn)型的電磁超聲表面波換能器對(duì)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(shí)傳統(tǒng)型和改進(jìn)型電磁超聲表面波換能器激發(fā)的表面波總位移模擬結(jié)果,可以看到改進(jìn)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(jìn)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(diǎn)出的位移分量,其中改進(jìn)型與傳統(tǒng)型的位移場(chǎng)x分量最大值分別為16×10-8mm和 9.2×10-8mm,改進(jìn)型電磁超聲表面波換能器激發(fā)的表面波在該二維截點(diǎn)處位移場(chǎng)x分量是傳統(tǒng)型的1.73倍；其中改進(jìn)型與傳統(tǒng)型的位移場(chǎng)y分量最大值分別為2.2×10-7mm和 1.92×10-7mm,改進(jìn)型電磁超聲表面波換能器激發(fā)的表面波在該二維截點(diǎn)處位移場(chǎng)y分量是傳統(tǒng)型的1.14倍。從有限元模型的模擬結(jié)果可知,改進(jìn)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(diǎn)的位移

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

圖7為電磁超聲表面波換能器傳統(tǒng)型和改進(jìn)型中的關(guān)鍵部件磁鐵的實(shí)物和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。傳統(tǒng)型采用的是長(zhǎng)40 mm，寬40 mm，高10 mm的釹鐵硼永磁鐵,改進(jìn)型采用4塊長(zhǎng)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(dǎo)線寬為0.25 mm,銅層厚度為0.035 mm。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖主要由安裝LabVIEW的計(jì)算機(jī)、采集卡PCI8544、電磁超聲主機(jī)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(shè)置脈沖電流的激勵(lì)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(shí)物和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖8為電磁超聲表面波換能器傳統(tǒng)型和改進(jìn)型接收探頭實(shí)測(cè)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(jìn)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(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果相近。由于兩種結(jié)構(gòu)的換能器在相同的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行的測(cè)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(jié)構(gòu)的改變。

圖8 電磁超聲表面波換能器傳統(tǒng)型和改進(jìn)型的實(shí)測(cè)電壓幅值

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)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(shè)計(jì)的換能器采用具有1 mm固定間隔的周期性永磁體。仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)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。