電廠鋼材檢測中電磁超聲表面波換能機理研究

蔣曉煒

（海南核電有限公司，海南海口 570105）

0 引言

電磁超聲技術起源于20世紀50年代，與傳統的壓電超聲技術相比具有無需聲耦合劑，無需對試件表面進行預處理和方便產生多種類型超聲波的優點。無需聲耦合劑和無需表面預處理使得電磁超聲技術能夠實時測量高溫金屬材料，從而實現在線監測電廠中高壓加熱器、除氧器等高溫設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生的熱應力。電磁超聲技術能夠產生表面波、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備表面缺陷，導播能夠以線掃描的方式檢測薄板的內部缺陷，而依賴聲耦合劑工作的傳統壓電超聲技術通常只能以點掃描的方式檢測內部缺陷，這使得電磁超聲技術能夠大大提高檢測效率、降低檢測難度。目前電磁超聲技術在國外已經廣泛應用于火車輪對檢測、鋼軌檢測、鋁合金板材檢測等方面；國內的電磁超聲技術起步較晚，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射和接收電磁波，根據激發超聲波類型的不同分為螺旋線圈和曲折線圈；磁鐵產生固定的偏置磁場為發射接收超聲波提供最佳工作點。

1.1 洛倫茲力機理

洛倫茲力激發電磁超聲表面波的原理如圖1所示。發射過程中，電磁超聲線圈通有高頻大功率發射電流，根據法拉第電磁感應定律，電流會在試件內產生交變磁場，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生變化的洛侖茲力；洛侖茲力會引發試件表面質點的高頻振動，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射的逆過程[1]。

圖1 洛倫茲力激發電磁超聲表面波原理

發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），整塊物質便呈現磁性，根據安培矩形分子模型[2]（圖3）推導磁性介質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）。

假設單位體積內所含分子電流數為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

磁致伸縮力激發電磁超聲表面波的原理如圖4所示。發射過程中，電磁超聲線圈中通有高頻大功率發射電流，根據法拉第電磁感應定律，電流會在試件內產生交變磁場。由于具有磁致伸縮效應的物質體積會隨著磁場的變化而變化，因此在發射電流感生的交變磁場作用下，試件表面會產生周期性的收縮和拉伸變化，從而產生高頻振動。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射的逆過程[3]。

磁性材料中主要依靠磁致伸縮力激發電磁超聲波，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為四階彈性材料應力系數，S為二階應變張量，e為三階磁致伸縮常系數，u為位移梯度，c∶S為胡克定律，e×為磁致伸縮效應。

圖4 磁致伸縮力激發電磁超聲表面波原理圖

由于磁致伸縮效應引起的材料張量是磁場和位移梯度的函數，且材料應力張量與磁致伸縮力滿足關系式（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，本文采用商業有限元軟件進行仿真驗證，為獲得比較全面的結果，將對渦流、磁感應強度和洛倫茲力計算結果進行對比，解析式法求得的渦流、磁感應強度和洛倫茲力計算結果如圖5所示，有限元法求得的渦流、磁感應強度和洛倫茲力計算結果如圖6所示。可見，兩種方法獲得的計算云圖具有相同的分布規律；精度方面，磁感應強度最大值相差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果的正確性，有限元與解析法獲得的磁感應強度、渦流、洛倫茲力云圖具有相同的分布規律，其中磁感應強度最大值相差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.