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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(wú)損檢測(cè)方法之一。常規(guī)的超聲波壓電換能器往往需要耦合劑實(shí)現(xiàn)與被測(cè)件之間的良好耦合，且對(duì)被測(cè)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(cè)。60年代末發(fā)現(xiàn)并逐漸發(fā)展起來(lái)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(jiǎn)稱EMAT,是電磁超聲檢測(cè)的核心裝置。EMAT具有換能器與媒質(zhì)表面非接觸、無(wú)需加入聲耦合劑，可免除對(duì)工件去油漆等工序，重復(fù)性好、檢測(cè)速度高，適合動(dòng)態(tài)，高溫檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，因而口益受到聲學(xué)和無(wú)損檢測(cè)各方面人員的關(guān)注，在火車(chē)車(chē)輪踏面和鋼管等無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域開(kāi)展了大量研究和應(yīng)用。這里我們研究了不同激勵(lì)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(chǎng)，通有高頻大電流的線圈和具有良導(dǎo)體性質(zhì)的被測(cè)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(shí)，金屬物體表面產(chǎn)生感應(yīng)電流。由于靜態(tài)磁場(chǎng)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(dòng)，當(dāng)振動(dòng)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(guò)程的逆效應(yīng)過(guò)程，可以利用EMAT接收超聲波。3實(shí)驗(yàn)我們?cè)O(shè)計(jì)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(gè)脈沖激發(fā)。磁鐵放置于EMAT的正上方，磁場(chǎng)方向垂直于金屬表面，發(fā)射和接收EMAT相距8.5cm。實(shí)驗(yàn)金屬材料為一標(biāo)準(zhǔn)鐵試塊。厚度為2.5cm。接收EMAT信號(hào)經(jīng)過(guò)1000倍的放大器后，接示波器顯示。我們通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器控制激發(fā)信號(hào)的頻率，觀察接收信號(hào)與頻率的關(guān)系。4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與解釋圖3為根據(jù)所測(cè)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(guò)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(hào)的時(shí)域波形，卜面部分的為對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行fft后的頻譜。從圖3可知：1） 當(dāng)激發(fā)頻率在475?525KHz時(shí)，表面波信號(hào)最強(qiáng)。2） 當(dāng)激發(fā)頻率在850KHz附近時(shí)，結(jié)合圖4c）可知，表面波幅度變小，波形表現(xiàn)為多個(gè)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(shí)，橫波的幅度有了很大的提高，信號(hào)的波形也比較清楚。4） 當(dāng)激發(fā)頻率為250KHz時(shí)，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(lì)頻率為400KHZ圖4b）激勵(lì)頻率為圖4a）激勵(lì)頻率為400KHZ圖4b）激勵(lì)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(shí)（500KHz）,可以得到幅度最強(qiáng)、頻率最單一的信號(hào)。2） 當(dāng)激發(fā)頻率和固有頻率有稍許偏差（不超過(guò)20%）時(shí)，接收信號(hào)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(shí)，表面波信號(hào)的頻率同時(shí)包含激勵(lì)頻率和固有頻率。時(shí)域波形則表現(xiàn)為不同頻率信號(hào)的疊加?；卣劬€圈型EMAT4以激發(fā)出表面波和橫波，通過(guò)控制激勵(lì)頻率，能夠獲得期望的聲波模式，以進(jìn)行有針對(duì)性的無(wú)損探傷等應(yīng)用。6參考文獻(xiàn)E1JThompson,R.B.,AModelfortheElectromagneticGenerationandDetectionofRayleighandLambWaves,IEEEtransactionson