哈爾濱工業大學電器與電子可靠性研究所、哈爾濱零聲科技有限公司的研究人員翟國富、梁寶、賈文斌、楊金旭、汪開燦，在2019年第7期《電工技術學報》上撰文《橫波電磁超聲相控陣換能器設計》。

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，采用有限元方法仿真分析了不同換能器設計參數下橫波聲束偏轉特征變化規律，并對仿真模型有效性進行了實驗驗證，最后提出了橫波電磁超聲相控陣換能器設計方法。該方法對橫波電磁超聲相控陣換能器設計具有一定的指導作用。

研究背景

電磁超聲相控陣技術結合了電磁超聲技術非接觸檢測優勢和相控陣技術精確控制聲束偏轉和聚焦特點，故具有廣闊的應用前景。目前，電磁超聲相控陣技術尚處于起步階段，限制其發展的因素主要包括：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等。因此，有必要明確換能器不同設計參數下聲場分布變化規律，進而指導電磁超聲相控陣換能器設計。

論文所解決問題及意義

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下橫波聲束偏轉特征變化規律，據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包括：陣元寬度、激勵頻率、陣元間距和偏轉角度。參照文中所得結論，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。

論文方法及創新點

1 單陣元電磁超聲換能器聲場分布特征

本文采用有限元軟件Comsol Multiphysics建模和仿真分析單陣元電磁超聲發射過程中聲場分布。單陣元電磁超聲換能器聲場指向性結果如圖1所示。圖1a和圖1b分別為不同頻率和不同線寬時，橫波電磁超聲聲場分布的統一歸一化仿真結果。根據圖1中仿真結果，本文采用0.2mm線寬設計橫波EMAT相控陣換能器。

圖1 單陣元電磁超聲換能器聲場分布

2 橫波電磁超聲相控陣換能器陣元間距選擇

在EMAT相控陣換能器設計中，陣元間距是需要考慮的關鍵設計參數。大的陣元間距能夠提高相控換能器聲束指向性，而過大的陣元間距可能引起柵瓣產生，為盡量減弱柵瓣影響，恰當的陣元間距設計顯得尤為重要。

不同陣元間距下，橫波電磁超聲相控陣換能器聲場指向性的統一歸一化仿真結果，如圖2所示。由圖2可知，隨著陣元間距的增加，主瓣寬度減小，說明增大陣元間距能夠提高橫波EMAT相控陣聲束指向性；然而，隨著陣元間距增大，柵瓣峰值與主瓣峰值的比值逐漸增大。故本文采用0.7λ～0.8λ陣元間距設計橫波EMAT相控陣。

圖2 不同陣元間距下橫波電磁超聲相控陣換能器聲場指向性結果

3 電磁超聲相控陣換能器聲束偏轉角度控制

本節目標是明確橫波EMAT相控陣換能器在不同偏轉角度下聲束偏轉特征變化規律。不同偏轉角度下，橫波聲場指向性信息如表1所示(N = 8, f = 4 MHz, w = 0.2 mm, d = λ/2)。由表1可知，為保證設計偏轉角度與仿真得到的偏轉角度基本一致，橫波電磁超聲相控陣換能器的設計偏轉角度應控制在±35o范圍內。

表1 不同偏轉角度下橫波聲場指向性信息

4 實驗驗證

本文實驗驗證了仿真模型計算結果的正確性和有效性，如圖3和圖4所示。

圖3 電磁超聲相控陣實驗平臺

圖4 仿真與實驗結果對比

結論

• 1）單陣元EMAT的橫波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 ≤ 0.2mm時，橫波在±35o范圍內位移分布平穩，而當線寬 > 0.2mm時，橫波能量朝向0o位置聚集。考慮到平穩的位移分布更有利于保證相控換能器缺陷檢測精度，故采用0.2mm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，橫波EMAT相控陣的設計偏轉角度與仿真得到的偏轉角度基本一致，隨著角度的增大，設計偏轉角度與仿真得到的偏轉角度誤差逐漸增大。故橫波EMAT相控陣的設計偏轉角度應控制在±35o范圍內。

引用本文

翟國富, 梁寶, 賈文斌, 楊金旭, 汪開燦. 橫波電磁超聲相控陣換能器設計[J]. 電工技術學報, 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.

團隊介紹

哈爾濱工業大學電器與電子可靠性研究所翟國富團隊，目前有教師11人，在校博土和碩士研究生40余人，博士后2人，外聘40余人。教師中，教授5人、副教授5人、講師1人。研究方向包括：

• 1、電器基礎理論(電弧、電接觸、電磁機構、發熱、電動力)與技術；
• 2、多物理場耦合建模與虛擬樣機技術；
• 3、電器與電子系統全壽命周期可靠性(力學、熱學、電磁兼容、空間輻照等)設計理論與技術；
• 4、電器與電子系統可測性設計與健康管理；
• 5、電磁超聲無損檢測技術;
• 6、產品質量一致性穩健設計與先進制造技術。

研究所一直以國際前沿學術問題、國家重大需求為牽引，面向國民經濟主戰場，以企業技術難題和行業共性技術問題為導向，立足航天、航空(電器與電子系統)，將產、學、研、用有機結合，完成或在研國家自然科學基金、國家863計劃、國防基礎科研、軍委裝備發展部預研和質量工程、火箭軍裝備部型號研制等科研課題80多項，發表學術論文400余篇(其中SCI和EI收錄200余篇)、授權發明專利80余項，榮獲國家科技進步二等獎1項、省部級科技進步獎5項。

研究所持續幫助30余家企業解決專業技術難題，合作企業包括航天一六五廠、國營第八九ー廠、國營第七九ニ廠、貴航電器、廈門宏發(全球最大的繼電器生產廠)、中航光電(國內最大的連接器生產廠)等航天、航空繼電器連接器生產企業，以及沈陽鐵路信號公司、寧波天波港聯電子公司等民用繼電器生產企業。提練的行業共性基礎技術正在向全國推廣應用。自2011年開始先后同國營第八九ー廠、廈門宏發、中航光電等十余家生產企業成立了聯合研發中心。

零聲科技有限公司專注于工業檢測設備開發和檢測技術服務。公司集電磁超聲換能器設計、控制與處理系統、智能算法等關鍵技術于一體，開展便攜式工業檢測專用儀器、基于物聯網和大數據的工業設備傷損在線監測、在線自動化檢測產品開發和服務。產品應用領域包括：石油石化行業的管道、高壓容器、大型儲罐等，鋼鐵行業的鋼板、鋼管、型材生產線自動化檢測等。

團隊源于哈爾濱工業大學，從事該領域技術研發十余年，專利30余項。2018年零聲科技獲得中國創新創業大賽先進制造行業優秀企業、并得到聯想創投戰略投資。