Page 106 - 《应用声学》2020年第5期

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0 引言 1 EMAT探头换能机理

厚壁管道指管道外径和壁厚之比小于 20 的管 EMAT 换能器由提供偏置磁场的永磁铁和跑
道，常被用于武器装备、化工液体运输和高压气体 道线圈组成，其中永磁铁的极性呈周期性交替排列。
输送等，在加工和服役的过程中，受各种复杂的交 在跑道线圈中通入高频电流，将会在被测试样表面
变应力、循环应力的影响，内表面会不可避免地产 感生出频率相同、方向相反的电感应涡流，在偏置
生各种裂纹。如果不能及时有效地对裂纹进行检 磁场的作用下会在试样表面产生洛伦兹力，试样产
测，裂纹会逐渐扩展加深、增长形成网状裂纹，进而 生周期性的振动，这种振动在试样内以波的形式传
影响整个武器装备或化工流程的稳定性和安全性， 播，便实现了 EMAT 斜入射 SH 波的激励过程，如
甚至可能导致灾难性的突发后果，造成巨大的经济 图1所示。
损失 [1−2] 。
d
SH 波是超声波剪切波的一种形式，质点振动
භᇓᨡ N S N S
方向与试样表层平行，并与传播方向垂直，因此 SH
波不易转换成 SV 波或纵向模态导波 [3] ，在遇到界 ᡫ᥋ጳڔ S N S N
面不连续或边界处损失能量较少，信号分析较为容 ว͠Шҧ
λ
易，更适合用于缺陷检测。SH 波难以用传统的压 z θ
y
电超声方式进行激励，目前主要是通过周期性永磁 x
体阵列(Permanent periodic magnet, PPM)的电磁 图 1 洛伦兹力斜入射 SH 波工作机理

超声换能器 (Electromagnetic acoustic transducer Fig. 1 Lorentz force inclined beams of SH waves
EMAT) 进行激励 [4] 。通过改变 EMAT 探头激励频 working mechanism
率可将 SH 导波变为具有一定方向性的斜入射 SH
在试样表面，感应电涡流 J x 在永磁场 B z 作用
波 [5−7] 。相比 SV 波和纵向模态导波，斜入射 SH 波
下所引起的洛伦兹力为
具有较强的穿透性，常被用于焊缝检测 [8−9] 、管道
检测 [4−5] 、缺陷板检测 [10−11] 、试样测厚 [12] 等。 F = J x × B z . (1)
由于斜入射 SH 波的检测效果与激励方式密
当两个相同极性产生的声波互相干涉且满足一定
切相关，因此近些年大部分学者主要对斜入射
条件时会形成斜入射SH波，波长等于2 倍相邻永磁
SH 波的激励方式进行了深入研究。2016 年，Isla
体中心间距 d，且激励形成的斜入射 SH波会沿着某
等 [13−14] 改进了斜入射 SH 波电磁超声探头的激励
一方向传播，入射角度与法线夹角 θ 与相邻永磁体
编码算法，使其在低功率下也有较好的损伤分辨
中心间距d和激励频率f 有关，满足 [13]
率。2017 年，Isla 等 [15] 采用编码激励斜入射 SH 波
v
8 端电磁超声相控阵探头，并减少了不同跑道线圈 sin θ = 2df , (2)
之间的涡流干扰，对铝板底部的预制裂纹进行了
式 (2) 中，v 为超声波在试样中传播波速。如果相邻
有效检测。
永磁体中心间距 d 固定，则入射角只与激励频率 f
然而，大部分学者利用斜入射 SH 波检测管道
有关。
或板的缺陷往往是焊缝或较大尺寸的裂纹，对管道
内壁较小尺寸的裂纹检测及裂纹径向深度与回波 2 斜入射SH波检测厚壁管道内壁裂纹
信号的作用规律并没有相关研究。本文在分析斜
入射 SH 波激励原理的基础上，在COMSOL Multi- 2.1 斜入射SH波激励频率优选
physics仿真软件中对厚壁管道进行参数化建模，探 斜入射SH波的检测效果与激励频率密切相关，
究斜入射 SH 波与裂纹径向深度的作用规律，并通 因此需要对斜入射 SH 波的声场特性进行分析，选
过实验验证斜入射 SH 波厚壁管道内壁裂纹检测方 择合适的激励频率。在 COMSOL Multiphysics 软
法的可行性和科学性。 件中建立半径 100 mm、高 10 mm 的半圆柱体固体