蔣曉煒

（海南核電有限公司，海南?？?570105）

0 引言

電磁超聲技術(shù)起源于20世紀50年代，與傳統(tǒng)的壓電超聲技術(shù)相比具有無需聲耦合劑，無需對試件表面進行預(yù)處理和方便產(chǎn)生多種類型超聲波的優(yōu)點。無需聲耦合劑和無需表面預(yù)處理使得電磁超聲技術(shù)能夠?qū)崟r測量高溫金屬材料，從而實現(xiàn)在線監(jiān)測電廠中高壓加熱器、除氧器等高溫設(shè)備由于沖刷腐蝕等原因造成的表面缺陷以及因溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力。電磁超聲技術(shù)能夠產(chǎn)生表面波、導播、SV波等多種類型的超聲波，其中表面波能夠以線掃描的方式檢測設(shè)備表面缺陷，導播能夠以線掃描的方式檢測薄板的內(nèi)部缺陷，而依賴聲耦合劑工作的傳統(tǒng)壓電超聲技術(shù)通常只能以點掃描的方式檢測內(nèi)部缺陷，這使得電磁超聲技術(shù)能夠大大提高檢測效率、降低檢測難度。目前電磁超聲技術(shù)在國外已經(jīng)廣泛應(yīng)用于火車輪對檢測、鋼軌檢測、鋁合金板材檢測等方面；國內(nèi)的電磁超聲技術(shù)起步較晚，目前集中于工作機理的研究和電磁超聲裝置的制作。由于很多電廠中的設(shè)備采用不銹鋼材料制作，因此本文利用電磁場理論，研究電磁超聲表面波換能器在電廠鋼材檢測中的工作機理。

1 電磁超聲工作機理

不銹鋼材料中電磁超聲表面波工作機理包括洛倫茲力機理、磁化力機理和磁滯伸縮力機理。電磁超聲技術(shù)的核心是電磁超聲換能器，電磁超聲換能器由線圈、磁鐵和被測試件等3部分組成。電磁超聲換能器線圈主要用于發(fā)射和接收電磁波，根據(jù)激發(fā)超聲波類型的不同分為螺旋線圈和曲折線圈；磁鐵產(chǎn)生固定的偏置磁場為發(fā)射接收超聲波提供最佳工作點。

1.1 洛倫茲力機理

洛倫茲力激發(fā)電磁超聲表面波的原理如圖1所示。發(fā)射過程中，電磁超聲線圈通有高頻大功率發(fā)射電流，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，電流會在試件內(nèi)產(chǎn)生交變磁場，并在試件表面感生出渦流；渦流在磁鐵靜磁場和交變磁場共同作用下產(chǎn)生變化的洛侖茲力；洛侖茲力會引發(fā)試件表面質(zhì)點的高頻振動，振動沿試件表面以超聲波的形式傳播就形成了電磁超聲表面波，其接收過程通常認為是發(fā)射的逆過程[1]。

圖1 洛倫茲力激發(fā)電磁超聲表面波原理

發(fā)射線圈中電磁波的傳播方程見式（1）。

空氣中電磁波傳播方程見式（2）。

試件中的電磁場傳播方程見式（3）。

圖2 磁化電流原理

圖3 安培矩形分子模型

1.2 磁化力機理

與非鐵磁性材料中分子始終保持雜亂無章的分布規(guī)律不同，鐵磁性材料放入外加磁場后，外磁場將對分子磁矩有轉(zhuǎn)矩作用，使得分子磁矩的排列變得比較有序，總磁矩不再為零（圖2），整塊物質(zhì)便呈現(xiàn)磁性，根據(jù)安培矩形分子模型[2]（圖3）推導磁性介質(zhì)在電磁場中受到的力。

矩形分子每條邊上受到的力可以用（5）式表示。

當Lx和Ly趨于零時，有表達式（6）。

將公式（9）和公式（10）代入公式（8），可得式（11）。

假設(shè)單位體積內(nèi)所含分子電流數(shù)為N，由磁化電流定義，分子電流的受到的和力可表示為（12）式。

式中第二項為零，進一步化簡得到（14）式。

公式14即為基于磁化力機理的電磁超聲數(shù)學模型，它表示沒有其他外加電源作用下，磁性材料在外磁場中受到的力。

1.3 磁滯伸縮力機理

磁致伸縮力激發(fā)電磁超聲表面波的原理如圖4所示。發(fā)射過程中，電磁超聲線圈中通有高頻大功率發(fā)射電流，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，電流會在試件內(nèi)產(chǎn)生交變磁場。由于具有磁致伸縮效應(yīng)的物質(zhì)體積會隨著磁場的變化而變化，因此在發(fā)射電流感生的交變磁場作用下，試件表面會產(chǎn)生周期性的收縮和拉伸變化，從而產(chǎn)生高頻振動。這種振動沿試件表面以超聲波的形式傳播就形成了電磁超聲表面波。波的接收過程通常認為是發(fā)射的逆過程[3]。

磁性材料中主要依靠磁致伸縮力激發(fā)電磁超聲波，磁致伸縮力相對洛倫茲力原理較復雜，磁性材料中除洛倫茲力引起的麥克斯韋張量 Te外，還存在材料張力張量其中，Tm為材料張力張量，c為四階彈性材料應(yīng)力系數(shù)，S為二階應(yīng)變張量，e為三階磁致伸縮常系數(shù)，u為位移梯度，c∶S為胡克定律，e×為磁致伸縮效應(yīng)。

圖4 磁致伸縮力激發(fā)電磁超聲表面波原理圖

由于磁致伸縮效應(yīng)引起的材料張量是磁場和位移梯度的函數(shù)，且材料應(yīng)力張量與磁致伸縮力滿足關(guān)系式（15）。

進一步求解可得（17）式。

由公式6可知，增大楊氏模量、磁場關(guān)于位移的微分和磁致伸縮曲線斜率都會增大磁致伸縮力。

2 仿真實驗驗證

為了驗證第一部分獲得的鐵磁材料中電磁超聲換能器3種換能機理解析式的正確性，本文采用商業(yè)有限元軟件進行仿真驗證，為獲得比較全面的結(jié)果，將對渦流、磁感應(yīng)強度和洛倫茲力計算結(jié)果進行對比，解析式法求得的渦流、磁感應(yīng)強度和洛倫茲力計算結(jié)果如圖5所示，有限元法求得的渦流、磁感應(yīng)強度和洛倫茲力計算結(jié)果如圖6所示?？梢?，兩種方法獲得的計算云圖具有相同的分布規(guī)律；精度方面，磁感應(yīng)強度最大值相差1.5%，渦流最大值相差12.7%，洛倫茲力最大值相差17.6%。

圖5 解析式法求出的計算云圖

圖6 有限元法求出的計算云圖

3 結(jié)論

（1）分析了電磁超聲表面波換能器在不銹鋼材料中的3種換能機理，并給出洛倫茲力、磁化力和磁滯伸縮力的電磁場解析式。

（2）通過仿真實驗驗證了分析結(jié)果的正確性，有限元與解析法獲得的磁感應(yīng)強度、渦流、洛倫茲力云圖具有相同的分布規(guī)律，其中磁感應(yīng)強度最大值相差1.5%，渦流最大值相差12.7%，洛倫茲力最大值相差17.6%。

［1］S.J.Wang，L.Kang，P.H.Xin，G.F.Zhai.Characteristic Research and Analysis of EMAT’s Transduction Efficiency for Surface Detection of Aluminum Plate ［C］.International Conference Electric Measurement and Instrument.2009:941-945.

［2］L.Vandevelde,J.A.Melkebeek.A Survey of Magnetic Force Distributions Based on Different Magnetization Models and on the Virtual Work Principle［J］.IEEE Transactions on Magnetics.2001,37（5）:3405-3406.

［3］S.Wang,P.Xin,L.Kang.Research on Influence of Lorentz Force Mechanism on EMAT’s Transduction Efficiency in Steel Plate［C］.IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications.2010:196-201.

［4］R.Ludwig,X.W.Dai.Numerical Simulation of EMAT in the Time Domain［J］.Appl.Phys.1991,69（1）:89-94.