2 193 EMAT F a λ 1 a λ 1 /2 EMAT 8 9 EMAT H = J C 1 B = μh EMAT E = - B 3 t J = γe F = J B + B S 5 H J C B μ EMAT E EMAT EMAT γ J ANSYS B

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1 Journal of Shenyang University of Technology Vo l 34 No 2 Mar ANSYS TB 552 A Three-dimensional finite element analysis on radiation sound field of electromagnetic ultrasonic surface wave GAO Song-wei ZHOU Jia-wei YANG Li-jian XING Yan-hao School of Information Science and Engineering Shenyang University of Technology Shenyang China Abstract In order to obtain the distribution of radiation acoustic field generated at both surface and inner of measured specimen for electromagnetic ultrasonic surface wave transducer ANSYS finite element simulation softw are w as applied to simulate the radiation sound field of electromagnetic ultrasonic transducer The three-dimensional 3D finite element model for electromagnetic ultrasonic transducer was established and the optimization w as performed And a quantitative relationship betw een the induced eddy current in the measured specimen and stimulating coil parameters of the transducer w as derived With the electromagnetic structural coupling method the displacement variation of particles w ith different orientations at both surface and inner of measured specimen w as obtained The distribution of radiation sound field generated inside the measured specimen was analyzed and the directionality rule of radiation sound field generated at the surface of measured specimen was given In addition an electromagnetic ultrasonic defect detection platform was established according to the simulation model The experimental results are basically consistent w ith the simulated results for the direction angle The results show that the finite element simulation on the radiation sound field of electromagnetic ultrasonic surface wave can provide the basis for the optimization of design determination of practical defect detecting range arrangement position of receiving coil as well as installation angle of sending and receiving devices wwwcameoorg Key words electromagnetic ultrasonic transducer ultrasonic surface wave finite element radiation sound field directivity stimulating coil Lorentz force eddy density

2 2 193 EMAT F a λ 1 a λ 1 /2 EMAT 8 9 EMAT H = J C 1 B = μh EMAT E = - B 3 t J = γe F = J B + B S 5 H J C B μ EMAT E EMAT EMAT γ J ANSYS B S F 5 F J B S B 1 EMAT 2 EMAT 2 1 EMAT EMAT 3 EMAT 4 7 EMAT 2 1 wwwcameoorg 2 EMAT Fig 2 3D physical model for EMAT 1 Fig 1 Principle diagram of energy transduction for electromagnetic ultrasonic surface wave 64 mm 60 mm 50 mm 880 ka/m J C 300 mm 300 mm 20 mm B J E Ω /m

3 mm 0 5 mm 0 5 mm mm A 500 khz EMAT v J EMAT m /s λ f f λ = v 6 λ 6 mm h 3 J 4 a λ EMAT a 3 0 mm EMAT 3 ~ 5 1 m 1 m 0 3 m 3 EMAT 3 Fig 3 EMAT 3D finite element model for EMAT without air field SOLID A x A y A z 2 CURR EMAT GPa kg m - 3 l d h SOLID45 3 U x U y U z 1 5 J wwwcameoorg 3 EMAT l d EMAT d = 0 5 mm h = 0 2 mm EMAT EMAT 5 J Fig 4 4 EMAT 3D physical model for EMAT EMAT 3 l 30 ~ 60 mm d 0 5 ~ 2 0 mm h 0 2 ~ 1 5 mm J 3 1 Tab 1 1 EMAT Optimization test sheet for EMAT coil l /mm d /mm h /mm J / 10-6 A m l l = 30 mm

4 2 195 Fig 5 Change of eddy current density J with various factors of stimulating coil for measured specimens 4 EMAT 4 1 EMAT 7 8 ANSYS A 11 A 12 A 13 S T S A 21 A 22 A 23 B = T B A 31 A 32 A I T 33 I 7 S B I A ij S B I T S T B T I 7 x U x Fig 7 X-axis displacement U x curve of node 7 on surface of measured specimens A S T珘 S 0 A 22 0 B = T珘 B A I T珘 33 8 { A 11 S B I S = T珘 S S B I A 22 S B I B = T珘 B S B I 9 A 33 S B I I = T珘 I S B I I wwwcameoorg 9ANSYS 8 z U z Fig 8 Z-axis displacement U z curve of node on surface of measured specimens 7 8 U x 4 2 EMAT U z EMAT U x U z USUM 6 x 6 x x z x 6 USUM Fig 6 USUM distribution of total displacement of node for measured specimens EMAT EMAT x z U x U z

5 U y U y 20 mm U x U y U z m m m U y U x U z 6 mm 120 mm θ 0 ~ 12 20% EMAT lamb SV θ 10 λ l sin θ = λ /l 10 9 y U y lamb SV Fig 9 Y-axis displacement U y curve of node EMAT on surface of measured specimens 30 mm 6 mm 10 θ mm 6 mm 30 5 mm 120 mm EMAT EMAT EMAT EMAT 10 wwwcameoorg 10 Fig Fig 11 EMAT Schematic distribution of radiation sound field of EMAT surface wave EMAT Test device for EMAT EMAT 12

6 2 197 transducer for steel pipe default detection J Chinese Journal of Scientific Instrument Kawashima K Quantitative calculation and measurement of longitudinal and transverse ultrasonic wave pulses in solid J IEEE Transactions on Sonics Ultason Thompson R Physical principles of measurements with EMAT transducers J Physical Acoustics Ludwig R Numerical implementation and model predictions of a unified conservation law description of the electromagnetic acoustic transduction process J 12 EMAT θ IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics and Fig 12 Simulated and experimental results of Frequency Control radiation half angle θ for EMAT J CHEN Qiu-ying WANG Xiao-min LI Ming-xuan 12 et al The radiated sound field of electromagnetic 12 acoustic transducer J Acta Acustica ANSYS C / / CHEN Qiu-ying WANG Xiao-min LI Ming-xuan Simulation analysis for radiated sound field of electromagnetic acoustic transducer by ANSYS C / /2008 Proceedings of National Acoustics Conference Shanghai China C / / ANSYS WANG Shu-juan KANG Lei ZHAI Guo-fu Overview of optimum design of electromagnetic acoustic 3D transducers C / /2007 the First Instruments Automation and Integration of Advanced Technology Conference Chongqing China Li S S Okada T Chen X M Electromagnetic acoustic transducer for generation and detection of guided waves J Japanese Journal of Applied Physics B J EMAT WANG Shu-juan KANG Lei LI Zhi-chao et al 3-D finite element analysis and optimum design of electromagnetic acoustic transducers J Chinese Journal of EMAT Mechanical Engineering J References YAO Jun FAN Hong JIA Hui-ming Study of orientation of acoustic field of electromagnetic ultrasonic 1 J surface wave J Iron and Steel ZHU Hong-xiu WU Miao LIU Zhuo-ran et al Study on optimized design of electromagnetic acoustic wwwcameoorg

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