電磁超聲傳感器是電磁超聲檢測技術的核心，其物理基礎來自于20世紀60年代，在凝聚態物理研究螺旋波特性的過程中，發現了電磁可轉換為聲的現象。由于電磁聲現象是在研究材料特性的過程中發現的，研究人員很快認識到其在材料表征中的應用，進而被迅速應用到無損檢測中，如鋼板檢測、油氣輸送管道裂紋及涂層脫落檢測、鋼管混凝土空洞檢測，鐵軌及火車輪踏面檢測、焊縫檢測、厚度測量等。

 

為適應上述無損檢測的不同目標，研究人員設計了不同類型的傳感器。在EMAT原理中，從時間域上看，動態磁場和靜態偏置磁場共同作用使試件中質點振動；從空間域上看，靜態偏置磁場和動態磁場的空間分布復雜多樣，從而使得研究人員在設計與選擇EMAT時，面臨諸多困難。華中科技大學機械科學與工程學院的研究者們從靜態偏置磁場的空間分布特點及其與動態磁場的作用機理出發，詳細分析了EMAT結構，為研究人員設計與選擇EMAT提供理論指導。

 

目前，已有的EMAT可以激勵出體波、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點振動的力或位移方向與振動傳播方向。洛倫茲力和磁滯伸縮應變的方向與試件中偏置磁場和動態磁場的分布有關。動態磁場非常容易理解，線圈中電流發生變化，感應出的渦流就會隨之變化。靜態偏置磁場雖然在時間上不發生變化，但空間上可以有多種分布，進而與動態磁場復合作用，產生不同方向的洛倫茲力或磁致伸縮應變，從而激勵出不同類型的超聲場。根據試件中靜態偏置磁場和動態磁場復合作用區域的靜態磁場分布特點，下面從均勻靜態磁場、空間周期靜態磁場及非均勻靜態磁場角度分析不同類型的EMAT結構。

 

在分析之前，需強調以下幾點：

 

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

 

（2） EMAT結構種類繁多，下面介紹每一類結構時是一個典型結構為例，并不代表只有這一種。

 

（3） 對每一類結構，分別分析了洛倫茲力機理和磁致伸縮機理。實際中，如果被測試件是非導磁材料，則只需參照洛倫茲力機理；如果是鐵磁材料，則這兩種機理同時存在。至于哪一個占主導作用，則要根據外加的磁場確定，本文暫不對此作分析。

 

1 均勻靜態磁場EMAT結構

 

均勻靜態磁場EMAT結構如圖1和圖2所示，銜鐵、永久磁鐵和被測試件組成的閉合磁回路，在線圈正下方的被測試件表面會產生均勻的水平靜態磁場。靜態偏置磁場和動態磁場的復合作用主要表現為洛倫茲力或磁致伸縮應變。在均勻水平靜態磁場的EMAT結構中，質點所受洛倫茲力和試件磁致伸縮應變的方向分別如圖1和圖2所示。圖1中，洛倫茲力使質點垂直于試件表面振動并在試件中傳播，產生橫波（剪切波）。圖2中，質點的磁致伸縮應變與試件表面平行，從而在試件激勵出水平剪切波。

 

圖1 均勻靜態磁場EMAT結構中的洛倫茲力機理

 

圖2 均勻靜態磁場EMAT結構中的磁致伸縮機理

 

2 空間周期靜態磁場EMAT結構

 

空間周期靜態偏置磁場是由一組周期排列放置的永久磁鐵（Periodic permanent magnet，PPM）產生的。一種典型PPM結構如圖3所示，PPM產生垂直于試件表面的空間周期變化靜態磁場。對于洛倫茲力機理而言，如圖4所示，被測試件中感應出的渦流與試件表面平行，因此質點振動方向垂直于渦流方向且與試件表面平行，激勵出SH波；對于磁致伸縮機理而言則如圖5所示，線圈正下方試件表面的動態磁場方向與偏置磁場垂直且平行于試件表面，也可激勵出SH波。

 

圖3 空間周期靜態磁場EMAT結構圖

 

圖4 空間周期靜態磁場EMAT結構的洛倫茲力機理

 

圖5 空間周期靜態磁場EMAT結構的磁致伸縮機理

 

3 非均勻靜態磁場EMAT結構

 

磁力線始終是閉合的，這一特點決定了在N極附近空間中，磁力線總是發散的，而S極附近的磁力線總是匯聚的，因此磁場的空間分布往往是非均勻的。空間中不同位置偏置磁場的方向不同，一般既有水平分量也有垂直分量（相對試件表面），而且在不同位置，水平分量和垂直分量的強度也是變化的。因此，非均勻偏置磁場中產生的超聲波波型成分比較復雜，以圖6所示的洛倫茲力機理為例，圓柱磁鐵在試件周圍產生的偏置磁場是非均勻的。在磁鐵正下方試件趨膚層中，偏置磁場垂直分量遠遠大于水平分量；而在磁鐵正下方以外的附近區域，偏置磁場水平分量則大于垂直分量。被測試件中感應出的渦流成環形，與試件表面平行，在磁鐵正下方試件趨膚層中，質點振動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，主要激勵出橫波；而在磁鐵正下方以外的附近區域，質點振動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，主要激勵出縱波。在偏置磁場水平分量與垂直分量相當的區域，偏置磁場的水平分量會激出縱波，而垂直分量則會產生橫波。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激勵出表面波。

 

圖6 非均勻靜態磁場EMAT結構的洛倫茲力機理

 

圖7 非均勻靜態磁場EMAT結構的磁致伸縮機理

 

如果試件為鐵磁性試件，需考慮磁致伸縮機理，如圖7所示。在磁鐵正下方試件趨膚層中，偏置磁場的垂直分量遠遠大于水平分量，動態磁場方向平行于試件表面，并與偏置磁場方向垂直，與聲波傳播方向垂直，主要激勵出橫波；而在磁鐵正下方以外的附近區域，偏置磁場的水平分量遠遠大于垂直分量，動態磁場方向平行于試件表面，并與偏置磁場方向平行，與聲波傳播方向平行，主要激勵出縱波。在偏置磁場水平分量與垂直分量相當的區域，偏置磁場的水平分量會激出縱波，而垂直分量則會產生橫波。

 

節選自《無損檢測》2015年第1期

 

本文作者：丁秀莉（1990—），女，華中科技大學機械科學與工程學院碩士研究生，研究方向為電磁超聲無損檢測技術。

      

武新軍（1971－），男，華中科技大學機械科學與工程學院教授，主要研究方向為無損檢測新技術。

 

 

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