電磁超聲傳感器是電磁超聲檢測技術(shù)的核心，其物理基礎來(lái)自于20世紀60年代，在凝聚態(tài)物理研究螺旋波特性的過(guò)程中，發(fā)現了電磁可轉換為聲的現象。由于電磁聲現象是在研究材料特性的過(guò)程中發(fā)現的，研究人員很快認識到其在材料表征中的應用，進(jìn)而被迅速應用到無(wú)損檢測中，如鋼板檢測、油氣輸送管道裂紋及涂層脫落檢測、鋼管混凝土空洞檢測，鐵軌及火車(chē)輪踏面檢測、焊縫檢測、厚度測量等。

 

為適應上述無(wú)損檢測的不同目標，研究人員設計了不同類(lèi)型的傳感器。在EMAT原理中，從時(shí)間域上看，動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)和靜態(tài)偏置磁場(chǎng)共同作用使試件中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)；從空間域上看，靜態(tài)偏置磁場(chǎng)和動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)的空間分布復雜多樣，從而使得研究人員在設計與選擇EMAT時(shí)，面臨諸多困難。華中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院的研究者們從靜態(tài)偏置磁場(chǎng)的空間分布特點(diǎn)及其與動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)的作用機理出發(fā)，詳細分析了EMAT結構，為研究人員設計與選擇EMAT提供理論指導。

 

目前，已有的EMAT可以激勵出體波、表面波和SH波（horizontally shear polarized waves，SH波）等多種波型的超聲波。而超聲波波型取決于試件質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的力或位移方向與振動(dòng)傳播方向。洛倫茲力和磁滯伸縮應變的方向與試件中偏置磁場(chǎng)和動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)的分布有關(guān)。動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)非常容易理解，線(xiàn)圈中電流發(fā)生變化，感應出的渦流就會(huì )隨之變化。靜態(tài)偏置磁場(chǎng)雖然在時(shí)間上不發(fā)生變化，但空間上可以有多種分布，進(jìn)而與動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)復合作用，產(chǎn)生不同方向的洛倫茲力或磁致伸縮應變，從而激勵出不同類(lèi)型的超聲場(chǎng)。根據試件中靜態(tài)偏置磁場(chǎng)和動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)復合作用區域的靜態(tài)磁場(chǎng)分布特點(diǎn)，下面從均勻靜態(tài)磁場(chǎng)、空間周期靜態(tài)磁場(chǎng)及非均勻靜態(tài)磁場(chǎng)角度分析不同類(lèi)型的EMAT結構。

 

在分析之前，需強調以下幾點(diǎn)：

 

（1） 這里所說(shuō)的均勻磁場(chǎng)是限定在一個(gè)局部小范圍內的，一般特指交變線(xiàn)圈正下方的試件趨膚層。從嚴格意義上講，絕對均勻的磁場(chǎng)是不存在的。

 

（2） EMAT結構種類(lèi)繁多，下面介紹每一類(lèi)結構時(shí)是一個(gè)典型結構為例，并不代表只有這一種。

 

（3） 對每一類(lèi)結構，分別分析了洛倫茲力機理和磁致伸縮機理。實(shí)際中，如果被測試件是非導磁材料，則只需參照洛倫茲力機理；如果是鐵磁材料，則這兩種機理同時(shí)存在。至于哪一個(gè)占主導作用，則要根據外加的磁場(chǎng)確定，本文暫不對此作分析。

 

1 均勻靜態(tài)磁場(chǎng)EMAT結構

 

均勻靜態(tài)磁場(chǎng)EMAT結構如圖1和圖2所示，銜鐵、永久磁鐵和被測試件組成的閉合磁回路，在線(xiàn)圈正下方的被測試件表面會(huì )產(chǎn)生均勻的水平靜態(tài)磁場(chǎng)。靜態(tài)偏置磁場(chǎng)和動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)的復合作用主要表現為洛倫茲力或磁致伸縮應變。在均勻水平靜態(tài)磁場(chǎng)的EMAT結構中，質(zhì)點(diǎn)所受洛倫茲力和試件磁致伸縮應變的方向分別如圖1和圖2所示。圖1中，洛倫茲力使質(zhì)點(diǎn)垂直于試件表面振動(dòng)并在試件中傳播，產(chǎn)生橫波（剪切波）。圖2中，質(zhì)點(diǎn)的磁致伸縮應變與試件表面平行，從而在試件激勵出水平剪切波。

 

圖1 均勻靜態(tài)磁場(chǎng)EMAT結構中的洛倫茲力機理

 

圖2 均勻靜態(tài)磁場(chǎng)EMAT結構中的磁致伸縮機理

 

2 空間周期靜態(tài)磁場(chǎng)EMAT結構

 

空間周期靜態(tài)偏置磁場(chǎng)是由一組周期排列放置的永久磁鐵（Periodic permanent magnet，PPM）產(chǎn)生的。一種典型PPM結構如圖3所示，PPM產(chǎn)生垂直于試件表面的空間周期變化靜態(tài)磁場(chǎng)。對于洛倫茲力機理而言，如圖4所示，被測試件中感應出的渦流與試件表面平行，因此質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于渦流方向且與試件表面平行，激勵出SH波；對于磁致伸縮機理而言則如圖5所示，線(xiàn)圈正下方試件表面的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)方向與偏置磁場(chǎng)垂直且平行于試件表面，也可激勵出SH波。

 

圖3 空間周期靜態(tài)磁場(chǎng)EMAT結構圖

 

圖4 空間周期靜態(tài)磁場(chǎng)EMAT結構的洛倫茲力機理

 

圖5 空間周期靜態(tài)磁場(chǎng)EMAT結構的磁致伸縮機理

 

3 非均勻靜態(tài)磁場(chǎng)EMAT結構

 

磁力線(xiàn)始終是閉合的，這一特點(diǎn)決定了在N極附近空間中，磁力線(xiàn)總是發(fā)散的，而S極附近的磁力線(xiàn)總是匯聚的，因此磁場(chǎng)的空間分布往往是非均勻的?？臻g中不同位置偏置磁場(chǎng)的方向不同，一般既有水平分量也有垂直分量（相對試件表面），而且在不同位置，水平分量和垂直分量的強度也是變化的。因此，非均勻偏置磁場(chǎng)中產(chǎn)生的超聲波波型成分比較復雜，以圖6所示的洛倫茲力機理為例，圓柱磁鐵在試件周?chē)a(chǎn)生的偏置磁場(chǎng)是非均勻的。在磁鐵正下方試件趨膚層中，偏置磁場(chǎng)垂直分量遠遠大于水平分量；而在磁鐵正下方以外的附近區域，偏置磁場(chǎng)水平分量則大于垂直分量。被測試件中感應出的渦流成環(huán)形，與試件表面平行，在磁鐵正下方試件趨膚層中，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于渦流方向且與試件表面平行，與聲波傳播方向垂直，主要激勵出橫波；而在磁鐵正下方以外的附近區域，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于渦流方向且與試件表面垂直，與聲波傳播方向平行，主要激勵出縱波。在偏置磁場(chǎng)水平分量與垂直分量相當的區域，偏置磁場(chǎng)的水平分量會(huì )激出縱波，而垂直分量則會(huì )產(chǎn)生橫波。由于聲波傳播方向不僅有垂直試件表面的方向，還有平行于試件表面的方向，因此在試件表面還會(huì )激勵出表面波。

 

圖6 非均勻靜態(tài)磁場(chǎng)EMAT結構的洛倫茲力機理

 

圖7 非均勻靜態(tài)磁場(chǎng)EMAT結構的磁致伸縮機理

 

如果試件為鐵磁性試件，需考慮磁致伸縮機理，如圖7所示。在磁鐵正下方試件趨膚層中，偏置磁場(chǎng)的垂直分量遠遠大于水平分量，動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)方向平行于試件表面，并與偏置磁場(chǎng)方向垂直，與聲波傳播方向垂直，主要激勵出橫波；而在磁鐵正下方以外的附近區域，偏置磁場(chǎng)的水平分量遠遠大于垂直分量，動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)方向平行于試件表面，并與偏置磁場(chǎng)方向平行，與聲波傳播方向平行，主要激勵出縱波。在偏置磁場(chǎng)水平分量與垂直分量相當的區域，偏置磁場(chǎng)的水平分量會(huì )激出縱波，而垂直分量則會(huì )產(chǎn)生橫波。

 

節選自《無(wú)損檢測》2015年第1期

 

本文作者：丁秀莉（1990—），女，華中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生，研究方向為電磁超聲無(wú)損檢測技術(shù)。

      

武新軍（1971－），男，華中科技大學(xué)機械科學(xué)與工程學(xué)院教授，主要研究方向為無(wú)損檢測新技術(shù)。

 

 

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