弹性层中的SH板波传播特性及电磁超声激励方法的研究

　　由任何SH( Shear Ho rizontal) 模态引起的质点振动( 位移和速度) 都在位于平行于层面的平面中,因此也可以认为是沿平行于层面方向偏振的体剪切波上下反射叠加的结果。相比SV 波和L 波, 当SH波从平行于偏振方向的表面反射时, SH 波不会转化为其他类型的波, 且杂乱回波较少。其传输系数也远远高于其他波型。其次, SH 波还包括对焊点结构影响不敏感、与入射角无关的完全角反射及在奥氏体材料中声束扭曲、改变小等优点, 这些较为简单的物理性质都为在恶劣环境下无损检测奥氏体材料或其他不同类型焊缝开辟了新的可能性。

　　超声波在弹性半空间中或波导中的波动形态是截然不同的。对于无限均匀的弹性层状介质来说,由于上下表面的波导影响, SH 波在两表面间来回反射, 在满足相位匹配条件下, 入射波和反射波就会形成贯穿层厚的驻波, 从而波只能沿层的延伸方向传播, 形成SH 板波。研究SH 板波的声学特性和激励方法对于扩展其在超声无损检测或材料应力测量等领域的应用是十分重要的。

　　SH 板波可以用常规压电换能器来激励, 但是实际中需要借助于钢质斜楔或高强度耦合, 具有相当大的实现难度, 而采用非接触的电磁超声换能器则可以很好的解决SH 波的激励和接收问题, 本文通过对SH 波在弹性层中的特性分析, 研究了利用电磁超声方法激励SH 板波的结构和特点, 以及模式选择的方法, 对SH 波应用于无损检测、材料特性、应力测量等领域具有广泛的指导意义。

　　1 弹性层中SH 板波的声学特性

　　控制SH 模态的频散方程可用直接求解运动位移方程的方法得到。对于各向同性介质, 质点的位移场u 需满足N av ier 的运动位移方程[ 1] :

　　可以看出SH0 模态的场分布是均匀的, 而SH1或更高阶模态的场分布呈现出正弦变化。由频散方程推导, 可进一步得出由整数n 确定的任意模态SH 波的相速度与群速度:

　　2 非铁磁材料SH 板波的电磁超声激励

　　电磁超声在材料中产生弹性波的机理依赖于材料的性质, 在非铁磁性导电材料中, 声波的产生是Lorentz 力在材料晶格上作用的结果。而对于铁磁性导电材料来说, 除去Lorent z 力以外, 磁致伸缩力、磁性力也将同时影响到带电离子的运动, 理论分析非常复杂[ 3] 。因此电磁超声在铁磁性或非铁磁性材料中激励SH 板波的机理和探头结构是截然不同的, 本文中是以非铁磁性导电材料为研究对象, 分析了周期永磁阵列电磁超声换能器的结构及激发理论, 为SH 板波的研究应用提供了参考。

　　2. 1 结构设计

　　在非铁磁导电材料中, Lorent z 力是超声波产生的唯一集中力源, SH 波的产生一般在此采用了周期永磁阵列式的电磁超声换能结构, 如图3 所示。以M 个周期排列的反向极性永磁单元作为垂直磁场以产生周期性的集中力, 永磁单元多采用高磁能积的稀土材料, 宽度为w 的导线将其围绕起来并通以高频交变电流, 为减小涡流损耗, 磁单元间以环氧树脂或塑胶作厚度为S 的隔离层, 磁周期为: