题目：用于无损检测的电磁超声换能器磁铁的设计和优化

电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer，简称EMAT)是一种新型的超声波发射接收装置，它是通过电磁耦合方法来产生和接收超声波的。由于EMAT工作时具有非接触性、无需耦合剂、不需要对工件进行预处理等诸多优点，受到了广大无损检测与评估工作者的广泛关注，并有效扩展了超声无损检测技术的应用领域。依据工件材料的性质EMAT的换能机理主要有3种形式：洛仑兹力、磁致伸缩力和磁化力。在非铁磁材料中，洛仑兹力起主要作用；而在铁磁材料中，三种机理共同作用，且磁致伸缩力最为显著。EMAT的主要组成部分有三个：（1）磁铁（用来提供外加磁场的永久磁铁或电磁铁），（2）高频线圈（用于产生高频激发磁场），（3）工件（检测对象，是EMAT不可缺少的一部分）——简称EMAT三要素。电磁超声换能器的基本原理是围绕着“三要素”展开的。
由于电磁超声换能器工作时工件参与能量转换过程，故工作的电、磁、声学性能会直接影响电磁超声换能器的特征。工作机理的复杂性以及待测工件的多样性等特点致使其设计多以盲目的经验为基础。因此不管是从原理还是从应用，电磁超声换能器都有着大量的问题没有解决，换能器的效率等诸多性能均不尽如人意，严重限制了该技术的进一步推广。为了从根本上改善或解决上述问题，早日将电磁超声换能器投入更广泛的生产实际中去，学者们以优化装置性能为目标对电磁超声换能器展开了广泛而深入的研究，提出了多种优化设计方法。本文从优化研究的对象（主要包括换能效率、声波纯度、声场指向性、探头体积以及对提离距离变化的敏感度等）和优化设计的方法（建模法和实验法）两方面进行了研究与探讨。
为了更好的解决电磁超声换能器换能效率低这个不足，作者对电磁超声换能器进行了优化设计，并通过ansoft软件对其进行了仿真研究，具体工作如下：
1.在对固体中声波的波动方程和麦克斯韦方程组进行讨论研究的基础上，建立了电磁超声换能器的数学模型，给出了机械-电磁耦合方程。
2.针对电磁超声换能器换能效率的决定因素，结合换能效率与静磁场之间的比例关系，改进了磁铁的形状，设计了一个新型的永磁铁组。
3.运用ansoft软件对所设计的永磁铁组的性能进行了仿真研究，给出了磁力线分布图、磁感应强度云图及气隙磁感应强度曲线图。
4.通过对比条形磁铁和永磁铁组的图像，分析得出了永磁铁组具有体积小、结构紧凑、磁通密度大、磁场能量集中、方向性强、使用灵活方便、经济等诸多优点。
目前，国外已进入电磁超声技术的工业应用阶段。我国对电磁超声的研究起步较晚，相关文献较少。但由于EMAT具有换能器与媒质表面非接触、无需加入声耦合剂的特点，以及重复性好、检测速度高，适合动态，高温检测，经济性、环保性等诸多优点，因而日益受到声学和无损检测各方面人员的关注。随着各种新的分析方法（例如有限元、边界元法）、信号处理方法（例如小波分析）及新技术的应用（例如相控阵技术、聚焦技术、谐振技术、成像技术），EMAT系统的设计必将更加完善、功能更加强大，效率也将得到极大地提高。可以预见，在不远的将来电磁超声技术将成为无损检测领域中的主流技术，并发挥出不可替代的作用。