電磁超聲傳感器是電磁超聲檢測(cè)技術(shù)的核心，其物理基礎(chǔ)來自于20世紀(jì)60年代，在凝聚態(tài)物理研究螺旋波特性的過程中，發(fā)現(xiàn)了電磁可轉(zhuǎn)換為聲的現(xiàn)象。由于電磁聲現(xiàn)象是在研究材料特性的過程中發(fā)現(xiàn)的，研究人員很快認(rèn)識(shí)到其在材料表征中的應(yīng)用，進(jìn)而被迅速應(yīng)用到無損檢測(cè)中，如鋼板檢測(cè)、油氣輸送管道裂紋及涂層脫落檢測(cè)、鋼管混凝土空洞檢測(cè)，鐵軌及火車輪踏面檢測(cè)、焊縫檢測(cè)、厚度測(cè)量等。

 

為適應(yīng)上述無損檢測(cè)的不同目標(biāo)，研究人員設(shè)計(jì)了不同類型的傳感器。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(fù)雜多樣，從而使得研究人員在設(shè)計(jì)與選擇EMAT時(shí)，面臨諸多困難。華中科技大學(xué)機(jī)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(jī)理出發(fā)，詳細(xì)分析了EMAT結(jié)構(gòu)，為研究人員設(shè)計(jì)與選擇EMAT提供理論指導(dǎo)。

 

目前，已有的EMAT可以激勵(lì)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(yīng)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，線圈中電流發(fā)生變化，感應(yīng)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(fù)合作用，產(chǎn)生不同方向的洛倫茲力或磁致伸縮應(yīng)變，從而激勵(lì)出不同類型的超聲場(chǎng)。根據(jù)試件中靜態(tài)偏置磁場(chǎng)和動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)復(fù)合作用區(qū)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)角度分析不同類型的EMAT結(jié)構(gòu)。

 

在分析之前，需強(qiáng)調(diào)以下幾點(diǎn)：

 

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

 

（2） EMAT結(jié)構(gòu)種類繁多，下面介紹每一類結(jié)構(gòu)時(shí)是一個(gè)典型結(jié)構(gòu)為例，并不代表只有這一種。

 

（3） 對(duì)每一類結(jié)構(gòu)，分別分析了洛倫茲力機(jī)理和磁致伸縮機(jī)理。實(shí)際中，如果被測(cè)試件是非導(dǎo)磁材料，則只需參照洛倫茲力機(jī)理；如果是鐵磁材料，則這兩種機(jī)理同時(shí)存在。至于哪一個(gè)占主導(dǎo)作用，則要根據(jù)外加的磁場(chǎng)確定，本文暫不對(duì)此作分析。

 

1 均勻靜態(tài)磁場(chǎng)EMAT結(jié)構(gòu)

 

均勻靜態(tài)磁場(chǎng)EMAT結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，銜鐵、永久磁鐵和被測(cè)試件組成的閉合磁回路，在線圈正下方的被測(cè)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(fù)合作用主要表現(xiàn)為洛倫茲力或磁致伸縮應(yīng)變。在均勻水平靜態(tài)磁場(chǎng)的EMAT結(jié)構(gòu)中，質(zhì)點(diǎn)所受洛倫茲力和試件磁致伸縮應(yīng)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(yīng)變與試件表面平行，從而在試件激勵(lì)出水平剪切波。

 

圖1 均勻靜態(tài)磁場(chǎng)EMAT結(jié)構(gòu)中的洛倫茲力機(jī)理

 

圖2 均勻靜態(tài)磁場(chǎng)EMAT結(jié)構(gòu)中的磁致伸縮機(jī)理

 

2 空間周期靜態(tài)磁場(chǎng)EMAT結(jié)構(gòu)

 

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(jié)構(gòu)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(duì)于洛倫茲力機(jī)理而言，如圖4所示，被測(cè)試件中感應(yīng)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(lì)出SH波；對(duì)于磁致伸縮機(jī)理而言則如圖5所示，線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(lì)出SH波。

 

圖3 空間周期靜態(tài)磁場(chǎng)EMAT結(jié)構(gòu)圖

 

圖4 空間周期靜態(tài)磁場(chǎng)EMAT結(jié)構(gòu)的洛倫茲力機(jī)理

 

圖5 空間周期靜態(tài)磁場(chǎng)EMAT結(jié)構(gòu)的磁致伸縮機(jī)理

 

3 非均勻靜態(tài)磁場(chǎng)EMAT結(jié)構(gòu)

 

磁力線始終是閉合的，這一特點(diǎn)決定了在N極附近空間中，磁力線總是發(fā)散的，而S極附近的磁力線總是匯聚的，因此磁場(chǎng)的空間分布往往是非均勻的。空間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(duì)試件表面），而且在不同位置，水平分量和垂直分量的強(qiáng)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(fù)雜，以圖6所示的洛倫茲力機(jī)理為例，圓柱磁鐵在試件周圍產(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(yuǎn)遠(yuǎn)大于水平分量；而在磁鐵正下方以外的附近區(qū)域，偏置磁場(chǎng)水平分量則大于垂直分量。被測(cè)試件中感應(yīng)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(lì)出橫波；而在磁鐵正下方以外的附近區(qū)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(lì)出縱波。在偏置磁場(chǎng)水平分量與垂直分量相當(dāng)?shù)膮^(qū)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(lì)出表面波。

 

圖6 非均勻靜態(tài)磁場(chǎng)EMAT結(jié)構(gòu)的洛倫茲力機(jī)理

 

圖7 非均勻靜態(tài)磁場(chǎng)EMAT結(jié)構(gòu)的磁致伸縮機(jī)理

 

如果試件為鐵磁性試件，需考慮磁致伸縮機(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(lì)出橫波；而在磁鐵正下方以外的附近區(qū)域，偏置磁場(chǎng)的水平分量遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(lì)出縱波。在偏置磁場(chǎng)水平分量與垂直分量相當(dāng)?shù)膮^(qū)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(jié)選自《無損檢測(cè)》2015年第1期

 

本文作者：丁秀莉（1990—），女，華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)殡姶懦暉o損檢測(cè)技術(shù)。

      

武新軍（1971－），男，華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院教授，主要研究方向?yàn)闊o損檢測(cè)新技術(shù)。

 

 

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