Lamb波与SH板波双模式电磁超声检测系统的设计与实验

　　0　前　言

　　对于无限均匀的弹性层状介质来说,由于上下表面波导的影响,超声波在两表面间来回反射,在满足相位匹配的条件下,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,这种情况下的波被称为板波,Lamb波和SH(Shear Hor-izontal)板波均是其中的一种[1]。Lamb波的导波特性及对材料不连续性的敏感性早已在工业自动检测领域得到广泛的认同。SH板波与Lamb波相似,在超声无损检测领域也是极具价值的,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,其传输系数也通常高于其他波型。其次,SH波还包括频散现象影响小、与入射角无关的完全角反射等优点,这些特点为奥氏体材料的无损检测和其他不同焊缝探伤开辟了新的可能性。SH波可以用常规压电换能器来激励,但是实际需要借助于钢质斜契或高强度耦合,实现起来具有很大的难度,而采用电磁超声换能器(Electromagnetic acoustic transducer)则可以很好的解决SH波的激励和接收问题,Lamb波与SH波的电磁超声激励方法具有的类似结构使得这两种模式波的结合成为可能。

　　该文设计的这种新颖的双模式电磁超声换能器就充分利用了高敏感的S0波和低衰减、无频散的SH0板波,两种模式波的交替混合激励,对于实际工业应用无疑具有广阔的前景,由于电磁超声换能器工作在无耦合或非接触状态,可以方便对移动物体、远处或危险区域的物体、高温、真空状态下的物体、粗糙表面等操作,因此特别适合于工业条件下对板材、管材的自动化在线操作。

　　1　Lamb波与SH板波的电磁超声激励

　　电磁超声在导电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Lorentz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,而磁致伸缩力在低磁场强度条件下的作用是占据了主导地位。因此电磁超声方法在非铁磁和铁磁性导电材料中的激励原理和探头结构都是截然不同的,文中设计的双模式电磁超声换能器是以铁磁性导电材料为对象的。

　　1·1　探头结构设计

　　通常电磁超声换能器包含用于产生偏置磁场的电磁铁,以及产生动态交变磁场的线圈,以高频电流脉冲通入线圈产生的高频交变磁场与电磁铁产生的静态偏置磁场叠加形成的总磁场作为产生磁致伸缩振动的激励源。线圈的结构以及磁场的方向决定了电磁超声探头的激励特性,用于产生Lamb波与SH板波的电磁超声探头结构如图1所示。

　　综合两种模式波的电磁超声换能方法,设计的双模式电磁超声换能器结构如图2所示,通过两组电磁铁的交替开关,将施加于回折线圈不同方向的静态磁场,从而在材料中交替激发出SH板波或Lamb波。回折线圈的周期D决定着Lamb波和SH板波的波长。