超声的电磁脉冲激发方式的探讨

　　1 引言

　　电磁超声换能器 (Electromagnetic AcousticTransducer，简称EMAT)是基于电磁耦合作用原理激发接收超声波的一种换能器。该技术自上世纪 60年代末发展至今，经过了国内外研究者的不断研究和改进，虽然电磁超声无损检测技术目前已被应用在部分工业领域，但它仍然存在一些未能得到有效解决的问题，如磁声转换效率低、灵敏度差;为提高超声信号强度，一般的做法是增大功率，但由于较大的电流对线圈长时间作用，使其发热量很大，因线圈的耐热能力限制了电流的增强，从而也限制了超声信号的激发强度。 这些问题在一定程度上影响了电磁超声无损检测技术的推广应用 因此，本文着重研究了电磁超声的脉冲激发方法以解决这些问题。

　　2 脉冲电磁超声激发原理

　　电磁超声脉冲激发的常用方法是：由信号源产生脉冲信号，通过功率放大，送给线圈作为激励。这种方法存在的问题是放大电流不但耗费大，而且线圈的耐热能力也会限制超声信号的激发强度。为此，本文研究了脉冲电磁超声的激发利用电储能元件放电产生强电流来激励线圈，从而按照EMAT 基本原理激发出超声波信号。电容储能型R、L、C串联放电回路因其技术成熟而被广泛应用于各种脉冲功率装置中[1]。其基本电路如图1所示。

　　其中，E为高压恒流电源，C为高压电容，L为螺线圈，R为线圈电阻、放电回路连接导线电阻、接触电阻及放电器件内阻总和，S为控制开关。工作过程为：首先由高压恒流源对电容进行充电，当充电至额定电压后，断开充电回路，接通电容与线圈组成放电回路，即构成了RLC放电回路。其放电过程为一个二阶电路的零输入响应过程。以电容电压值UC为未知量的常系数二阶线性齐次微分方程为[2]：

　　因为要得到的是交变信号，所以需满足的条件，即响应为有阻尼减幅振荡。此时

　　为有阻尼减幅振荡正弦波形。由公式(2)可知，为获得大电流，需使C尽量大。其典型的放电波形为：

　　可求得当时，脉冲电流的第一峰值

　　其中

　　线圈得到交变激励信号后， 进一步产生交变磁场。将其置于被检测材料上方时，被检测材料表面就会感生出涡流。涡流的大小和性质服从法拉第电磁感应定律。涡流密度的大小取决于线圈中电流产生的交变磁场的变化速度，其频率同线圈中电流变化的频率一致[3]。由于任何电流在磁场中都受到Lorentz力的作用，则感应出的交变电流与外磁场相互作用， 使材料中涡流透入深度内的质点承受交变力的作用，质点因此产生振动，从而在材料中激发出了超声波。 在Lorentz力作用下，分子振动的幅值为[4]：