电磁超声换能器（Electromagnetic Acoustic Transducers, EMATs）能够无接触地在金属内部激发并接收超声波，其利用通入内部线圈中的高频激励在被测试件表层趋肤深度内感生出涡流，在永磁体偏置磁场的作用下，试件表面质点受到洛仑兹力从而高频振动，继而在试件内部激发超声波。电磁超声技术在金属无损检测领域发挥了巨大的作用。

与传统的压电超声检测相比，电磁超声检测无需使用耦合剂，不需要对被测试件表面进行预处理，并且可以在高温高压等恶劣工况下进行正常检测。目前，电磁超声无损检测已经被广泛应用于金属的厚度测量、缺陷检测、塑性损伤检测等领域，逐渐成为一种国内外较为主流的无损检测手段。

尽管电磁超声检测具有诸多优点，然而相比于其他类型换能器，EMATs存在换能效率低、易受到电磁干扰等问题，其中传统电磁超声纵波换能器水平偏置磁场弱，导致换能效率极低，对测量结果造成不利影响。为此，国内外学者做了大量的研究，以提高EMATs接收信号的信噪比。文献研究表明，通过优化换能器的永磁体尺寸及线圈参数，能够有效提升回波幅值。

然而这些优化并未考虑到线圈匝数的局限性，在永磁体可利用偏置磁场区域确定的情况下，增大导线宽度或导线间距势必会减少线圈的有效工作匝数，从而影响回波幅值。此外，正交试验优选法只适用于各参数水平较少的场合，当所要考察的水平数较多时，正交试验总试验次数过多时，宜采用均匀试验方法进行优化。

对此，华东交通大学电气与自动化工程学院蔡智超副教授研究团队使用一种永磁体按照Halbach阵列排布的电磁超声纵波换能器，并对其进行优化设计。

图1 实验系统示意图

他们在文章中首先介绍Halbach阵列纵波换能器结构及其工作原理；然后，利用COMSOL Multiphysics有限元软件进行二维建模，分别采用正交试验和均匀试验方法，仿真中设置不同的线圈参数和匝数组合，改变永磁体提离距离，以寻求增强回波信号幅值的最佳方案，研究了不同电流频率对声衰减和一次回波幅值的影响；最后，分别使用优化前、后换能器对本次优化方案进行验证。

图2 换能器实物图

研究结果表明：

1）Halbach阵列型永磁体排布能够显著增强水平方向磁场，增大垂直方向洛仑兹力，激发出更剧烈的纵波。

2）通过正交试验和均匀试验得到，当减小线间距、导线宽度、导线高度时，能够使得回波幅值得到提升。仿真中优化后回波幅值比优化前两种最佳方案分别提升了113%和61%，实验中优化后回波幅值比优化前提升了83%。

3）Halbach阵列纵波换能器在工作时，永磁体与被测试件上表面之间的提离距离对接收到的信号幅值影响较大，当提离距离处于0.7~1.0mm范围时，信号强度最高。

4）超声波在试件内部传播的衰减与激励电流频率有关，过高的电流频率造成较大的声波衰减，过低的电流频率产生较小的回波幅值，选取6MHz左右的激励频率可以使得回波电压幅值和有效回波数量维持在较为理想的水平，有利于进行后续检测与数据处理。

本文编自2021年第21期《电工技术学报》，论文标题为“基于Halbach阵列电磁超声纵波换能器优化设计”，作者为蔡智超、李毅博。