基于双层蝶形线圈的电磁超声换能器优化设计

摘要

针对能源与核电工业中高温压力容器内壁腐蚀检测时，传统电磁超声换能器(EMAT)所激发横波易受纵波及模式转换波干扰、导致检测准确性下降的问题，本文提出一种EMAT结构优化方法，通过增设铜箔屏蔽层并调整主副瓣间距，实现对纵波幅值的有效抑制。首先建立轴对称二维有限元模型，分析永磁体在低碳钢试件表面的静态磁场分布，研究主、副瓣区域中洛伦兹力与磁场方向的关系。进而结合有限元仿真与实验，探讨铜箔屏蔽层及主副瓣线圈间距对洛伦兹力分布、超声波激发类型及横波信号纯度的影响机制。结果表明：与传统螺旋线圈和单层蝶形线圈相比，优化后的双层蝶形线圈所激发的横波幅值分别提高了2.46倍和1.43倍；横波与纵波的峰值幅值比提升超过2倍，最高信噪比达到25.82 dB。本研究通过有效抑制纵波、增强横波纯度，为高温压力容器腐蚀检测提供了一种高性能EMAT新方案。

关键词

电磁超声换能器 / 双层蝶形线圈 / 换能效率 / 横波 / 智能检测 / 压力容器 / 能源 / 核电工业