【導讀】電磁超聲檢測技術由于具有非接觸的優(yōu)點，探頭不存在磨損，適合于高速、高溫等惡劣工況檢測。尤其是功率電子技術的發(fā)展，解決了電磁超聲傳感器（Electromagnetic acoustic transducer, EMAT）換能效率低的功率問題，極大地促進了EMAT技術的發(fā)展，特別是其易于激勵出SH波，具有壓電超聲傳感器不可比擬的優(yōu)點，成為近年來無損檢測技術的研究熱點之一。
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(tài)物理研究螺旋波特性的過程中，發(fā)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(fā)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(tài)磁場和靜態(tài)偏置磁場共同作用使試件中質點振動；從空間域上看，靜態(tài)偏置磁場和動態(tài)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(tài)偏置磁場的空間分布特點及其與動態(tài)磁場的作用機理出發(fā)，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(tài)磁場的分布有關。動態(tài)磁場非常容易理解，線圈中電流發(fā)生變化，感應出的渦流就會隨之變化。靜態(tài)偏置磁場雖然在時間上不發(fā)生變化，但空間上可以有多種分布，進而與動態(tài)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(tài)偏置磁場和動態(tài)磁場復合作用區(qū)域的靜態(tài)磁場分布特點，下面從均勻靜態(tài)磁場、空間周期靜態(tài)磁場及非均勻靜態(tài)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(tài)磁場EMAT結構
均勻靜態(tài)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(tài)磁場。靜態(tài)偏置磁場和動態(tài)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(tài)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(tài)磁場EMAT結構中的洛倫茲力機理
圖2 均勻靜態(tài)磁場EMAT結構中的磁致伸縮機理
2 空間周期靜態(tài)磁場EMAT結構
空間周期靜態(tài)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(tài)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(tài)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(tài)磁場EMAT結構圖
圖4 空間周期靜態(tài)磁場EMAT結構的洛倫茲力機理
圖5 空間周期靜態(tài)磁場EMAT結構的磁致伸縮機理
3 非均勻靜態(tài)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(fā)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?？臻g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(qū)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(huán)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(qū)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(qū)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(tài)磁場EMAT結構的洛倫茲力機理
圖7 非均勻靜態(tài)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(tài)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(qū)域，偏置磁場的水平分量遠遠大于垂直分量，動態(tài)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(qū)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(jié)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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