作者特稿｜横波电磁超声相控阵换能器设计

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哈尔滨工业大学电器与电子可靠性研究所、哈尔滨零声科技有限公司的研究人员翟国富、梁宝、贾文斌、杨金旭、汪开灿，在2019年第7期《电工技术学报》上撰文《横波电磁超声相控阵换能器设计》。

针对横波电磁超声相控阵换能器声场分布特征不明确的问题，采用有限元方法仿真分析了不同换能器设计参数下横波声束偏转特征变化规律，并对仿真模型有效性进行了实验验证，最后提出了横波电磁超声相控阵换能器设计方法。该方法对横波电磁超声相控阵换能器设计具有一定的指导作用。

DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.180362

研究背景

电磁超声相控阵技术结合了电磁超声技术非接触检测优势和相控阵技术精确控制声束偏转和聚焦特点，故具有广阔的应用前景。目前，电磁超声相控阵技术尚处于起步阶段，限制其发展的因素主要包括：电磁超声相控阵换能器声场分布特征不明确、换能器设计方法研究不足等。因此，有必要明确换能器不同设计参数下声场分布变化规律，进而指导电磁超声相控阵换能器设计。

论文所解决问题及意义

本文针对横波电磁超声相控阵换能器声场分布特征不明确的问题，采用有限元方法建立电磁超声相控阵换能器二维多物理场模型，仿真分析不同换能器设计参数下横波声束偏转特征变化规律，据此提出横波电磁超声相控阵换能器设计方法。其中，仿真分析的设计参数包括：阵元宽度、激励频率、阵元间距和偏转角度。参照文中所得结论，能够为横波电磁超声相控阵换能器设计提供快速和准确的指导。

论文方法及创新点

01

单阵元电磁超声换能器声场分布特征

本文采用有限元软件Comsol Multiphysics建模和仿真分析单阵元电磁超声发射过程中声场分布。单阵元电磁超声换能器声场指向性结果如图1所示。图1a和图1b分别为不同频率和不同线宽时，横波电磁超声声场分布的统一归一化仿真结果。根据图1中仿真结果，本文采用0.2mm线宽设计横波EMAT相控阵换能器。

图1  单阵元电磁超声换能器声场分布

02

横波电磁超声相控阵换能器阵元间距选择

在EMAT相控阵换能器设计中，阵元间距是需要考虑的关键设计参数。大的阵元间距能够提高相控换能器声束指向性，而过大的阵元间距可能引起栅瓣产生，为尽量减弱栅瓣影响，恰当的阵元间距设计显得尤为重要。

不同阵元间距下，横波电磁超声相控阵换能器声场指向性的统一归一化仿真结果，如图2所示。由图2可知，随着阵元间距的增加，主瓣宽度减小，说明增大阵元间距能够提高横波EMAT相控阵声束指向性；然而，随着阵元间距增大，栅瓣峰值与主瓣峰值的比值逐渐增大。故本文采用0.7λ～0.8λ阵元间距设计横波EMAT相控阵。

图2  不同阵元间距下横波电磁超声相控阵换能器声场指向性结果

03

电磁超声相控阵换能器声束偏转角度控制

本节目标是明确横波EMAT相控阵换能器在不同偏转角度下声束偏转特征变化规律。不同偏转角度下，横波声场指向性信息如表1所示(N = 8, f = 4 MHz, w = 0.2 mm, d = λ/2)。由表1可知，为保证设计偏转角度与仿真得到的偏转角度基本一致，横波电磁超声相控阵换能器的设计偏转角度应控制在±35o范围内。

表1   不同偏转角度下横波声场指向性信息

04

实验验证

本文实验验证了仿真模型计算结果的正确性和有效性，如图3和图4所示。

图3  电磁超声相控阵实验平台

图4  仿真与实验结果对比

结论

• 1）单阵元EMAT的横波幅值随频率升高而逐渐下降，而横波位移分布基本不受频率变化影响。

• 2）线宽对横波EMAT位移分布影响明显，当线宽 ≤ 0.2mm时，横波在±35o范围内位移分布平稳，而当线宽 > 0.2mm时，横波能量朝向0o位置聚集。考虑到平稳的位移分布更有利于保证相控换能器缺陷检测精度，故采用0.2mm线宽设计横波电磁超声相控阵换能器。

• 3）虽然已有文献提出了用于消除栅瓣的最大阵元间距计算公式，但还不足以指导EMAT相控阵的阵元间距设计。综合考虑阵元间距对横波EMAT相控换能器的主瓣宽度和栅瓣峰值影响情况，建议采用0.7λ～0.8λ阵元间距设计横波EMAT相控阵。

• 4）在±35o范围内，横波EMAT相控阵的设计偏转角度与仿真得到的偏转角度基本一致，随着角度的增大，设计偏转角度与仿真得到的偏转角度误差逐渐增大。故横波EMAT相控阵的设计偏转角度应控制在±35o范围内。

引用本文

翟国富, 梁宝, 贾文斌, 杨金旭, 汪开灿. 横波电磁超声相控阵换能器设计[J]. 电工技术学报, 2019, 34(07): 1441-1448.  Zhai Guofu, Liang Bao, Jia Wenbin, Yang Jinxu, Wang Kaican. Design of the shear wave electromagnetic ultrasonic phased array transducer[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(07): 1441-1448.

团队介绍

哈尔滨工业大学电器与电子可靠性研究所翟国富团队，目前有教师11人，在校博土和硕士研究生40余人，博士后2人，外聘40余人。教师中，教授5人、副教授5人、讲师1人。研究方向包括：

• 1、电器基础理论(电弧、电接触、电磁机构、发热、电动力)与技术；

• 2、多物理场耦合建模与虚拟样机技术；

• 3、电器与电子系统全寿命周期可靠性(力学、热学、电磁兼容、空间辐照等)设计理论与技术；

• 4、电器与电子系统可测性设计与健康管理；

• 5、电磁超声无损检测技术;

• 6、产品质量一致性稳健设计与先进制造技术。

研究所一直以国际前沿学术问题、国家重大需求为牵引，面向国民经济主战场，以企业技术难题和行业共性技术问题为导向，立足航天、航空(电器与电子系统)，将产、学、研、用有机结合，完成或在研国家自然科学基金、国家863计划、国防基础科研、军委装备发展部预研和质量工程、火箭军装备部型号研制等科研课题80多项，发表学术论文400余篇(其中SCI和EI收录200余篇)、授权发明专利80余项，荣获国家科技进步二等奖1项、省部级科技进步奖5项。

研究所持续帮助30余家企业解决专业技术难题，合作企业包括航天一六五厂、国营第八九ー厂、国营第七九ニ厂、贵航电器、厦门宏发(全球最大的继电器生产厂)、中航光电(国内最大的连接器生产厂)等航天、航空继电器连接器生产企业，以及沈阳铁路信号公司、宁波天波港联电子公司等民用继电器生产企业。提练的行业共性基础技术正在向全国推广应用。自2011年开始先后同国营第八九ー厂、厦门宏发、中航光电等十余家生产企业成立了联合研发中心。

零声科技有限公司专注于工业检测设备开发和检测技术服务。公司集电磁超声换能器设计、控制与处理系统、智能算法等关键技术于一体，开展便携式工业检测专用仪器、基于物联网和大数据的工业设备伤损在线监测、在线自动化检测产品开发和服务。产品应用领域包括：石油石化行业的管道、高压容器、大型储罐等，钢铁行业的钢板、钢管、型材生产线自动化检测等。

团队源于哈尔滨工业大学，从事该领域技术研发十余年，专利30余项。2018年零声科技获得中国创新创业大赛先进制造行业优秀企业、并得到联想创投战略投资。

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