电磁超声换能器的频率特性

电磁超声换能器的频率特性申建中张仲宁张淑仪（近代声学国家重点实验室，南京大学声学研究所，南京210093）StudyonthefrequencyfeatureofEMATtransducersShenJianZhong,ZhangZhongNing,ZhangShuYi（LabofModernAcoustics,InstituteofAcoustics,NanjingUniversity,Nanjing,210093,China.）1引言超声波探伤是工业领域里应用最广泛的无损检测方法之一。常规的超声波压电换能器往往需要耦合剂实现与被测件之间的良好耦合，且对被测件的表面质量要求较高，难以适用于高温、高速和粗糙表面的检测。60年代末发现并逐渐发展起来的电磁耦合产生超声波的方法，是一种非接触式的超声波探伤方法。电磁超声换能器，英文名为ElectromagneticAcousticTransducer,简称EMAT,是电磁超声检测的核心装置。EMAT具有换能器与媒质表面非接触、无需加入声耦合剂，可免除对工件去油漆等工序，重复性好、检测速度高，适合动态，高温检测等优点，因而口益受到声学和无损检测各方面人员的关注，在火车车轮踏面和钢管等无损检测领域开展了大量研究和应用。这里我们研究了不同激励频率下，EMAT激发的声波形态,以及声波的幅度和频率。2EMAT的组成与工作原理如图1所示，EMAT由静态磁场，通有高频大电流的线圈和具有良导体性质的被测材料组成。图1EMAT结构示意图当通有高频大电流的线圈放置在金属物体附近时，金属物体表面产生感应电流。由于静态磁场的存在,与涡流相互作用后产生交变洛仑兹力，作用于金属导体内部的带电粒子上。由于原子核的质量比电子大的多，其位置不容易改变，这样原子核在交变洛仑兹力的作用下产生往复振动，当振动以一定方式传播出去就可产生超声波。相应的，利用该过程的逆效应过程，可以利用EMAT接收超声波。3实验我们设计制作了收发两种EMAT。线圈为蛇形回折如图2所示，根据公式（1）,取铁横波的速度V=3240m/s,f=500KHz,0=90°,算得间距D为3.2mm°采用2个脉冲激发。磁铁放置于EMAT的正上方，磁场方向垂直于金属表面，发射和接收EMAT相距8.5cm。实验金属材料为一标准铁试块。厚度为2.5cm。接收EMAT信号经过1000倍的放大器后，接示波器显示。我们通过标准信号发生器控制激发信号的频率，观察接收信号与频率的关系。4实验结果与解释图3为根据所测数据绘制的曲线，其中方块（相应连线）表示表面波，五角星（相应连线）表示横波。

图4为经过16次平均的示波器显示波形，其中每幅图上面部分的为接收信号的时域波形，卜面部分的为对时域信号进行fft后的频谱。从图3可知：1） 当激发频率在475〜525KHz时，表面波信号最强。2） 当激发频率在850KHz附近时，结合图4c）可知，表面波幅度变小，波形表现为多个频率分量的叠加。既有固有频率的成分，又有激发频率的成分。3） 当激发频率在850KHz时，横波的幅度有了很大的提高，信号的波形也比较清楚。4） 当激发频率为250KHz时，有一幅度很小的表面波波峰和一幅度较大的横波波峰。f（KHZ）图4a）激励频率为400KHZ图4b）激励频率为图4a）激励频率为400KHZ图4b）激励频率为500KHz5结论5结论观察图4中的a）、b）、c）三幅图，可知：1） 当激发频率如果和固有频率一■致时（500KHz）,可以得到幅度最强、频率最单一的信号。2） 当激发频率和固有频率有稍许偏差（不超过20%）时，接收信号的频率是激发频率；3） 当激发频率和固有频率有较大偏差（大于60%）时，表面波信号的频率同时包含激励频率和固有频率。时域波形则表现为不同频率信号的叠加。回折线圈型EMAT4以激发出表面波和横波，通过控制激励频率，能够获得期望的声波模式，以进行有针对性的无损探伤等应用。6参考文献E1JThompson,R.B.,AModelfortheElectromagneticGenerationandDetectionofRayleighandLambWaves,IEEEtransactionson