超聲相控陣技術(shù)具有檢測速度快、精度高和聲束偏轉(zhuǎn)控制靈活等特點，已廣泛應用于工業(yè)無損檢測和無損評估領(lǐng)域。超聲相控陣換能器一般指壓電超聲相控陣換能器，在檢測過程中，為保證壓電晶片與待測試件有良好的聲阻抗匹配，需要使用耦合劑。

耦合劑的存在，限制了壓電超聲相控陣技術(shù)在高溫、高速等惡劣環(huán)境中應用。相較于壓電超聲相控陣技術(shù)，電磁超聲相控陣技術(shù)結(jié)合了電磁超聲技術(shù)非接觸檢測優(yōu)勢和相控陣技術(shù)精確控制聲束偏轉(zhuǎn)及聚焦特點，因此具有廣闊的應用前景。

然而，目前電磁超聲相控陣技術(shù)尚處于起步階段，限制其發(fā)展的主要因素包括電磁超聲相控陣換能器聲場分布特征不明確、換能器設計方法研究不足以及相控陣實驗平臺匱乏等。為解決電磁超聲相控陣實驗平臺匱乏的問題，北京工業(yè)大學王新華等和哈爾濱工業(yè)大學楊金旭采用D類功率放大器電路實現(xiàn)相控發(fā)射電路功率放大，成功開發(fā)出電磁超聲相控實驗平臺。

為解決電磁超聲相控陣換能效率低的問題，J. Isla等采用在骨架模型上繞制多匝線圈方法設計電磁超聲相控陣換能器，顯著提高了相控換能效率。但骨架線圈繞制過程中受人為因素影響明顯，存在難以準確控制線圈設計參數(shù)問題，這在一定程度上限制了骨架型電磁超聲相控陣換能器的進一步發(fā)展。

在相控陣換能器參數(shù)設計方面，需要考慮的關(guān)鍵參數(shù)包括陣元數(shù)、陣元寬度、激勵頻率、陣元間距和偏轉(zhuǎn)角度等。一般認為，陣元數(shù)越多或陣元間距越大，相控陣換能器的聲束指向性越好。然而，過大的陣元間距可能引起柵瓣產(chǎn)生。柵瓣對相控陣檢測精度具有不利的影響。

例如，相控扇掃成像時存在柵瓣，將引起偽像產(chǎn)生。為避免柵瓣產(chǎn)生且保證相控陣換能器具有好的指向性，壓電超聲相控陣換能器一般選用陣元數(shù)目大于64和陣元間距小于1/2波長的設計參數(shù)。相較于壓電超聲相控陣，現(xiàn)階段電磁超聲相控陣實驗平臺的陣元數(shù)較少，一般為8陣元。為提高電磁超聲相控陣換能器聲束指向性，選用恰當?shù)年囋g距，則有必要研究陣元間距和柵瓣之間的關(guān)系。

在電磁超聲相控陣換能器聲場分布特征研究方面，雖然壓電超聲相控陣聲場分布理論研究已經(jīng)十分成熟，但不能將壓電超聲相控陣聲場分布理論直接應用于電磁超聲相控陣換能器設計。原因是壓電超聲是通過壓電晶片振動在試件表面產(chǎn)生超聲縱波；而電磁超聲是基于電磁耦合機理，根據(jù)磁鐵與線圈的組合，能夠在試件趨膚層內(nèi)產(chǎn)生多種模式波形。故換能器設計參數(shù)對電磁超聲相控陣聲場分布特征影響規(guī)律有必要進一步研究。

本文針對橫波電磁超聲相控陣換能器聲場分布特征不明確的問題，采用有限元方法建立電磁超聲相控陣換能器二維多物理場模型，仿真分析不同換能器設計參數(shù)下橫波聲束偏轉(zhuǎn)特征變化規(guī)律，據(jù)此提出橫波電磁超聲相控陣換能器設計方法。其中，仿真分析的設計參數(shù)包括陣元寬度、激勵頻率、陣元間距和偏轉(zhuǎn)角度。本文研究結(jié)果能夠為橫波電磁超聲相控陣換能器設計提供快速和準確的指導。

圖7 單陣元EMAT聲場分布實驗平臺

圖9 電磁超聲相控陣實驗平臺

結(jié)論

針對橫波EMAT相控陣聲場分布特征不明確的問題，采用有限元方法分析不同換能器設計參數(shù)下橫波聲束偏轉(zhuǎn)特征變化規(guī)律，據(jù)此提出橫波EMAT相控陣設計方法。所得結(jié)論如下：

1）單陣元EMAT的橫波位移幅值隨頻率升高而逐漸下降，而橫波位移分布基本不受頻率變化影響。

2）線寬對橫波EMAT位移分布影響明顯，當線寬≤0.2 mm時，橫波在±35o范圍內(nèi)位移分布平穩(wěn)，而當線寬>0.2 mm時，橫波能量朝向0o位置聚集?？紤]到平穩(wěn)的位移分布更有利于保證相控陣換能器缺陷檢測精度，故采用0.2 mm線寬設計橫波電磁超聲相控陣換能器。

3）雖然已有文獻提出了用于消除柵瓣的最大陣元間距計算公式，但還不足以指導EMAT相控陣的陣元間距設計。綜合考慮陣元間距對橫波EMAT相控陣換能器的主瓣寬度和柵瓣峰值影響情況，建議采用0.7λ～0.8λ陣元間距設計橫波EMAT相控陣。

4）在±35o范圍內(nèi)，橫波EMAT相控陣的設計偏轉(zhuǎn)角度與仿真得到的偏轉(zhuǎn)角度基本一致，隨著角度的增大，設計偏轉(zhuǎn)角度與仿真得到的偏轉(zhuǎn)角度誤差逐漸增大。故橫波EMAT相控陣的設計偏轉(zhuǎn)角度應控制在±35o范圍內(nèi)。