用于无损检测的电磁超声换能器研究进展

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　　电磁超声换能器(EMAT)是一种新型的超声发射接收装置。由于电磁超声产生和接收的过程中具有换能器与媒质表面非接触、无需加入声耦合剂、重复性好、检测速度高等优点而受到广大无损检测与评估工作者的关注。EMAT一般可分为洛仑兹力式和磁致伸缩式两种。

　　洛仑兹力式EMAT的基本原理^[1] 如图1所示。把通有高频电流的线圈放置在金属物体附近,金属物体内产生感应电流。如在同一时间施加一稳定磁场,与涡流相互作用后产生交变洛仑兹力。金属原子在交变洛仑兹力的作用下产生往复振动,当振动以一定方式传播出去就可产生超声波。该过程的逆效应过程就是利用EMAT接收超声的原理。通过改变外加偏转磁场的大小和方向、高频电流的大小和频率、线圈的形状和尺寸可以控制EMAT产生超声的类型、强弱、频率及传播方向等参数。同时也可改变接收超声EMAT的工作带宽等参数。

　　铁磁性材料中电磁超声的产生和接收一般通过磁致伸缩原理来实现。当线圈中通过交变电流时,产生交变磁场。根据磁致伸缩原理,由于磁场的交变作用使磁性材料体积发生变化,从而形成材料内部的振动,并最终以声波形式将振动向外传播。

　　目前,人们对EMAT的研究主要包括EMAT过程的数学建模、EMAT装置的设计和优化及EMAT的工程应用等几方面。

　　1　EMAT过程的数学建模

　　EMAT的数学模型是对EMAT电磁超声产生和接收的物理过程的认知。准确的模型有利于对E-MAT过程的分析。同时,通过调整模型参数可改进对EMAT换能器的设计,使其性能得到优化。

　　前几年人们的试验和分析主要是针对EMAT基本机理的研究。许多理论研究都是直接针对电-机械转换现象的定量理解。基本的控制方程和边界条件可由文献^[2,3] 中获得。然而,这些研究的解析模型和等价电流模型都基于正弦驱动电流,限制了模型在实际中的应用。同时,在EMAT电磁超声发射接收系统中,超声的传播过程还受到媒质材料性能的影响。

　　有限元及有限差分技术的发展为EMAT过程建模提供了数学基础。文献^[4] 采用有限元方法建立压电超声换能器的电磁学模型和弹性动力学模型。文献^[5]  建立了一套多级电磁超声换能器模型。模型包括五部分,即电磁铁静态磁场的仿真。④脉冲涡流的分布。洛仑兹力的分布。在洛仑兹力作用下超声的产生和在媒质中的传播。E-MAT接收器对电磁超声的检测。文献中详细仿真了脉冲超声波的产生、传播和接收过程。文献^[6,7] 利用有限元和边界元程序对薄铝板中电磁超声的产生和接收过程进行了二维计算机数字仿真。图2^[7] 是对板中Lamb波传播过程进行的仿真。同时,还根据给出的数字模型对EMAT的设计参数进行了优化。文献^[8] 给出了不同提离值下,超声波振幅的变化情况。图3^[8] 给出了提离值变化对洛仑兹力影响的仿真结果。