電磁超聲換能器的頻率特性

電磁超聲換能器的頻率特性申建中張仲寧張淑儀（近代聲學(xué)國家重點實驗室，南京大學(xué)聲學(xué)研究所，南京210093）StudyonthefrequencyfeatureofEMATtransducersShenJianZhong,ZhangZhongNing,ZhangShuYi（LabofModernAcoustics,InstituteofAcoustics,NanjingUniversity,Nanjing,210093,China.）1引言超聲波探傷是工業(yè)領(lǐng)域里應(yīng)用最廣泛的無損檢測方法之一。常規(guī)的超聲波壓電換能器往往需要耦合劑實現(xiàn)與被測件之間的良好耦合，且對被測件的表面質(zhì)量要求較高，難以適用于高溫、高速和粗糙表面的檢測。60年代末發(fā)現(xiàn)并逐漸發(fā)展起來的電磁耦合產(chǎn)生超聲波的方法，是一種非接觸式的超聲波探傷方法。電磁超聲換能器，英文名為ElectromagneticAcousticTransducer,簡稱EMAT,是電磁超聲檢測的核心裝置。EMAT具有換能器與媒質(zhì)表面非接觸、無需加入聲耦合劑，可免除對工件去油漆等工序，重復(fù)性好、檢測速度高，適合動態(tài)，高溫檢測等優(yōu)點，因而口益受到聲學(xué)和無損檢測各方面人員的關(guān)注，在火車車輪踏面和鋼管等無損檢測領(lǐng)域開展了大量研究和應(yīng)用。這里我們研究了不同激勵頻率下，EMAT激發(fā)的聲波形態(tài),以及聲波的幅度和頻率。2EMAT的組成與工作原理如圖1所示，EMAT由靜態(tài)磁場，通有高頻大電流的線圈和具有良導(dǎo)體性質(zhì)的被測材料組成。圖1EMAT結(jié)構(gòu)示意圖當(dāng)通有高頻大電流的線圈放置在金屬物體附近時，金屬物體表面產(chǎn)生感應(yīng)電流。由于靜態(tài)磁場的存在,與渦流相互作用后產(chǎn)生交變洛侖茲力，作用于金屬導(dǎo)體內(nèi)部的帶電粒子上。由于原子核的質(zhì)量比電子大的多，其位置不容易改變，這樣原子核在交變洛侖茲力的作用下產(chǎn)生往復(fù)振動，當(dāng)振動以一定方式傳播出去就可產(chǎn)生超聲波。相應(yīng)的，利用該過程的逆效應(yīng)過程，可以利用EMAT接收超聲波。3實驗我們設(shè)計制作了收發(fā)兩種EMAT。線圈為蛇形回折如圖2所示，根據(jù)公式（1）,取鐵橫波的速度V=3240m/s,f=500KHz,0=90°,算得間距D為3.2mm°采用2個脈沖激發(fā)。磁鐵放置于EMAT的正上方，磁場方向垂直于金屬表面，發(fā)射和接收EMAT相距8.5cm。實驗金屬材料為一標(biāo)準(zhǔn)鐵試塊。厚度為2.5cm。接收EMAT信號經(jīng)過1000倍的放大器后，接示波器顯示。我們通過標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器控制激發(fā)信號的頻率，觀察接收信號與頻率的關(guān)系。4實驗結(jié)果與解釋圖3為根據(jù)所測數(shù)據(jù)繪制的曲線，其中方塊（相應(yīng)連線）表示表面波，五角星（相應(yīng)連線）表示橫波。

圖4為經(jīng)過16次平均的示波器顯示波形，其中每幅圖上面部分的為接收信號的時域波形，卜面部分的為對時域信號進行fft后的頻譜。從圖3可知：1） 當(dāng)激發(fā)頻率在475?525KHz時，表面波信號最強。2） 當(dāng)激發(fā)頻率在850KHz附近時，結(jié)合圖4c）可知，表面波幅度變小，波形表現(xiàn)為多個頻率分量的疊加。既有固有頻率的成分，又有激發(fā)頻率的成分。3） 當(dāng)激發(fā)頻率在850KHz時，橫波的幅度有了很大的提高，信號的波形也比較清楚。4） 當(dāng)激發(fā)頻率為250KHz時，有一幅度很小的表面波波峰和一幅度較大的橫波波峰。f（KHZ）圖4a）激勵頻率為400KHZ圖4b）激勵頻率為圖4a）激勵頻率為400KHZ圖4b）激勵頻率為500KHz5結(jié)論5結(jié)論觀察圖4中的a）、b）、c）三幅圖，可知：1） 當(dāng)激發(fā)頻率如果和固有頻率一■致時（500KHz）,可以得到幅度最強、頻率最單一的信號。2） 當(dāng)激發(fā)頻率和固有頻率有稍許偏差（不超過20%）時，接收信號的頻率是激發(fā)頻率；3） 當(dāng)激發(fā)頻率和固有頻率有較大偏差（大于60%）時，表面波信號的頻率同時包含激勵頻率和固有頻率。時域波形則表現(xiàn)為不同頻率信號的疊加?；卣劬€圈型EMAT4以激發(fā)出表面波和橫波，通過控制激勵頻率，能夠獲得期望的聲波模式，以進行有針對性的無損探傷等應(yīng)用。6參考文獻(xiàn)E1JThompson,R.B.,AModelfortheElectromagneticGenerationandDetectionofRayleighandLambWaves,IEEEtransactionson