Page 102 - 无损检测2023年第十一期

张义涛, 等:

基于偏置磁场 EMAT 表面波换能器效率的分析

换能器存在换能效率较低的问题, 导致电磁超声接 流, 在涡流上的试件质点受到动态洛伦兹力和静态
收信号的信噪比低。 洛伦兹力的共同作用, 产生周期性的高频振动, 从而
提高 EMAT 换能效率最简单的方法是利用高 产生超声波。超声波的模式类型取决于线圈几何形
能脉冲作为激励信号, 或者提高磁铁的磁场强度, 因 状、 工作频率和施加的磁场, 当工件厚度大于表面波
此研究人员通过最大化发射功率来补偿低转换效
4倍波长, 则认为质点振动以表面波的形式传播。
率, 使用窄带和超低噪声接收器, 并引入了各种信号 曲折线圈匝间距L 与表面波的波长 λ 相关, 其中匝
处理方法 [ 1 ] , 但是这不可避免地增加了EMAT 检测 间距为波长的一半。每根导线激发的表面波发生干
系统的复杂性和成本。周正干等 [ 2 ] 通过设计硬件系
涉叠加, 产生幅值更大, 方向性更强的表面波。
统模块来提高 EMAT 接收信号的信噪比。 KANG
等 [ 3-6 ] 通过优化 EMAT 的参数有效提高了表面波的
激发效率。时亚等 [ 7 ] 研究发现优化 EMAT 接收曲
折线圈参数后, 接收信号可提高 50.8% 。 WANG

等 [ 8 ] 研究发现激励电流超过528.9A 时, 线圈产生
的动 态 磁 场 能 更 有 效 地 产 生 表 面 波。 THRING
等 [ 9-10 ] 研究发现聚焦电磁超声表面波换能器能提高
检出缺陷的能力。陈巍巍等 [ 11 ] 和 REN 等 [ 12 ] 通过
背板增强试件中的表面涡流强度来提高换能器转换
图1 EMAT 表面波换能机制示意
效率。陈建伟等 [ 13 ] 和康磊等 [ 14 ] 通过优化线圈参数
1.1 洛伦兹力控制方程
和磁铁尺寸, 采用一发一收进行检测, 能将接收信号
EMAT 换能器线圈中的激励电流在工件近表
提高39% 。徐煦源等 [ 15 ] 研究发现螺旋线圈对于厚
可表示为
面产生的涡流J e
板测厚效果最佳, 信噪比平均值可达 14dB 以上。
设计了一款新型的窄式电磁超声换能器, 该换能器 J e=- σ ∂A z ( 1 )
∂t
较常规电磁超声换能器提高了表面波的激发效率,
式中: σ 、 A z 分别为电导率和磁矢量。
但是该换能器会引起波形畸变从而影响检测结果准
EMAT 中产生的洛伦兹力密度 f l 为
确性。
f d= J e× B d ( 2 )
文章首先通过仿真分析了静态磁场的分布情
f s= J e× B s ( 3 )
况, 针对常规 EMAT 没有充分利用永磁铁的边缘
B d= μ H d ( 4 )
效应问题, 提出一种偏置磁铁的方式激励表面波, 基
, 分别
μ
式中: H d 为动态磁场强度; 为磁导率, B s B d
于偏置磁铁的激励方式设计了正交试验来优化偏置 为静态磁感应强度和动态磁感应强度; , 分别
f s f d
EMAT 参数, 并进行试验验证。 为静态磁场和动态磁场引起的洛伦兹力密度。
1 电磁超声原理 常规电磁超声换能器中 施 加 的 激 励 电 流 较
小, 因此涡流产生的动态磁场可忽略不计, 计算中
电磁超声表面波已广泛用于试件表面检测, 为 可等效为静态磁场强度。在试件中产生的洛伦兹
了激发 具 有 高 方 向 性 的 大 振 幅 表 面 波, 表 面 波 力则可表示为
EMAT 通常由一个曲折线圈和一个垂直静态磁场 ( 5 )
f l= f s= J e× B d
组成, 该静态磁场来自永磁体或电磁体 [ 16 ] 。文章中
F l= f l dv ( 6 )
的研究试件为镍基粉末高温合金, 在该试件中, 只有 ∭ v
为给定体积V 上的洛伦兹力。
式中: F l
洛伦兹力是 EMAT 需要考虑的换能机理。
1.2 声波在弹性介质中的传播方程
典型的 EMAT 表面波换能机制示意如图1所
超声波在试件中的传播方程为
示, EMAT 由磁铁、 曲折线圈和试件组成, 线圈中通
2
∂u
→

常通以大功率窄带脉冲串或宽带脉冲电流用于激 μ × × u- λ+2 μ ) · u+ ρ 2 = f l 7
(
()
∂t
励。当电流为交变电流时, 会产生交变磁场, 线圈靠
式中: 为质量体积密度; u 为材料位移矢量; 和 λ
μ
ρ
近试件后, 试件表面会产生频率相同方向相反的涡
分别为试件的弹性常数。
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2023年 第45卷 第11期
无损检测