电厂钢材检测中电磁超声表面波换能机理研究

蒋晓炜

（海南核电有限公司，海南海口 570105）

0 引言

电磁超声技术起源于20世纪50年代，与传统的压电超声技术相比具有无需声耦合剂，无需对试件表面进行预处理和方便产生多种类型超声波的优点。无需声耦合剂和无需表面预处理使得电磁超声技术能够实时测量高温金属材料，从而实现在线监测电厂中高压加热器、除氧器等高温设备由于冲刷腐蚀等原因造成的表面缺陷以及因温度变化产生的热应力。电磁超声技术能够产生表面波、导播、SV波等多种类型的超声波，其中表面波能够以线扫描的方式检测设备表面缺陷，导播能够以线扫描的方式检测薄板的内部缺陷，而依赖声耦合剂工作的传统压电超声技术通常只能以点扫描的方式检测内部缺陷，这使得电磁超声技术能够大大提高检测效率、降低检测难度。目前电磁超声技术在国外已经广泛应用于火车轮对检测、钢轨检测、铝合金板材检测等方面；国内的电磁超声技术起步较晚，目前集中于工作机理的研究和电磁超声装置的制作。由于很多电厂中的设备采用不锈钢材料制作，因此本文利用电磁场理论，研究电磁超声表面波换能器在电厂钢材检测中的工作机理。

1 电磁超声工作机理

不锈钢材料中电磁超声表面波工作机理包括洛伦兹力机理、磁化力机理和磁滞伸缩力机理。电磁超声技术的核心是电磁超声换能器，电磁超声换能器由线圈、磁铁和被测试件等3部分组成。电磁超声换能器线圈主要用于发射和接收电磁波，根据激发超声波类型的不同分为螺旋线圈和曲折线圈；磁铁产生固定的偏置磁场为发射接收超声波提供最佳工作点。

1.1 洛伦兹力机理

洛伦兹力激发电磁超声表面波的原理如图1所示。发射过程中，电磁超声线圈通有高频大功率发射电流，根据法拉第电磁感应定律，电流会在试件内产生交变磁场，并在试件表面感生出涡流；涡流在磁铁静磁场和交变磁场共同作用下产生变化的洛仑兹力；洛仑兹力会引发试件表面质点的高频振动，振动沿试件表面以超声波的形式传播就形成了电磁超声表面波，其接收过程通常认为是发射的逆过程[1]。

图1 洛伦兹力激发电磁超声表面波原理

发射线圈中电磁波的传播方程见式（1）。

空气中电磁波传播方程见式（2）。

试件中的电磁场传播方程见式（3）。

图2 磁化电流原理

图3 安培矩形分子模型

1.2 磁化力机理

与非铁磁性材料中分子始终保持杂乱无章的分布规律不同，铁磁性材料放入外加磁场后，外磁场将对分子磁矩有转矩作用，使得分子磁矩的排列变得比较有序，总磁矩不再为零（图2），整块物质便呈现磁性，根据安培矩形分子模型[2]（图3）推导磁性介质在电磁场中受到的力。

矩形分子每条边上受到的力可以用（5）式表示。

当Lx和Ly趋于零时，有表达式（6）。

将公式（9）和公式（10）代入公式（8），可得式（11）。

假设单位体积内所含分子电流数为N，由磁化电流定义，分子电流的受到的和力可表示为（12）式。

式中第二项为零，进一步化简得到（14）式。

公式14即为基于磁化力机理的电磁超声数学模型，它表示没有其他外加电源作用下，磁性材料在外磁场中受到的力。

1.3 磁滞伸缩力机理

磁致伸缩力激发电磁超声表面波的原理如图4所示。发射过程中，电磁超声线圈中通有高频大功率发射电流，根据法拉第电磁感应定律，电流会在试件内产生交变磁场。由于具有磁致伸缩效应的物质体积会随着磁场的变化而变化，因此在发射电流感生的交变磁场作用下，试件表面会产生周期性的收缩和拉伸变化，从而产生高频振动。这种振动沿试件表面以超声波的形式传播就形成了电磁超声表面波。波的接收过程通常认为是发射的逆过程[3]。

磁性材料中主要依靠磁致伸缩力激发电磁超声波，磁致伸缩力相对洛伦兹力原理较复杂，磁性材料中除洛伦兹力引起的麦克斯韦张量 Te外，还存在材料张力张量其中，Tm为材料张力张量，c为四阶弹性材料应力系数，S为二阶应变张量，e为三阶磁致伸缩常系数，u为位移梯度，c∶S为胡克定律，e×为磁致伸缩效应。

图4 磁致伸缩力激发电磁超声表面波原理图

由于磁致伸缩效应引起的材料张量是磁场和位移梯度的函数，且材料应力张量与磁致伸缩力满足关系式（15）。

进一步求解可得（17）式。

由公式6可知，增大杨氏模量、磁场关于位移的微分和磁致伸缩曲线斜率都会增大磁致伸缩力。

2 仿真实验验证

为了验证第一部分获得的铁磁材料中电磁超声换能器3种换能机理解析式的正确性，本文采用商业有限元软件进行仿真验证，为获得比较全面的结果，将对涡流、磁感应强度和洛伦兹力计算结果进行对比，解析式法求得的涡流、磁感应强度和洛伦兹力计算结果如图5所示，有限元法求得的涡流、磁感应强度和洛伦兹力计算结果如图6所示。可见，两种方法获得的计算云图具有相同的分布规律；精度方面，磁感应强度最大值相差1.5%，涡流最大值相差12.7%，洛伦兹力最大值相差17.6%。

图5 解析式法求出的计算云图

图6 有限元法求出的计算云图

3 结论

（1）分析了电磁超声表面波换能器在不锈钢材料中的3种换能机理，并给出洛伦兹力、磁化力和磁滞伸缩力的电磁场解析式。

（2）通过仿真实验验证了分析结果的正确性，有限元与解析法获得的磁感应强度、涡流、洛伦兹力云图具有相同的分布规律，其中磁感应强度最大值相差1.5%，涡流最大值相差12.7%，洛伦兹力最大值相差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.