Page 12 - 《应用声学》2021年第3期

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换能器辐射声场的指向性进行理论分析和数值计
0 引言
算，并与实验结果做了对比，给出了可用于指导工程
重载铁路货车是煤炭能源运输的主要装备，其 应用的结论。
走行部件车轮，可实现铁路货车的承载、走行与导
1 指向性实验测试
向等重要功能，是关系铁路货车运行安全的关键部
件。在线重载货车车轮轮辋缺陷检测系统可以在不 研制的电磁超声换能器指向性实验装置示意
拆卸轮对、保持铁路货车在线运行状态的情况下，对 图如图 1 所示。采用超声穿透法，发射换能器为电
在役的铁路货车车轮轮辋实现超声波自动检测，及 磁超声换能器，接收换能器分别为压电横波换能器，
时发现埋藏在车轮轮辋内部的大面积辋裂缺陷，避 测试试块为半圆钢试块，发射换能器通过试块上表
免这些危害型缺陷发展成车轮掉块甚至崩轮导致 面辐射声波，接收换能器在不同角度的底部台阶面
行车事故，为我国能源的安全运输提供基础保障。 上通过蜂蜜作为耦合剂接收声波。
由于货车通过在线检测系统时会产生粉尘和煤渣 研 制 的 电 磁 超 声 设 备 频 率 可 在 500 kHz ∼
掉块，严重影响传统的压电超声换能器耦合水的喷 2 MHz 范围内调节，脉冲方波个数可调范围为
注，为了适应这样的使用环境，需要一种非接触的超 1 ∼ 8 个。设定 EMAT 激励参数为频率 750 kHz，激
声波耦合方式对货车车轮进行在线检测。 励脉冲串长度 3个周期方波，激励电流 2 A。压电横
电 磁 超 声 换 能 器 (Electromagnetic acoustic 波换能器在 0 接收到的波形如图 2 所示，图中初始
◦
transducer, EMAT) 通常由一个驱动线圈和产生
静态偏置磁场的磁铁组成，线圈在动态电流的驱 வฉᑢф Տ൦ηՂ
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动下在金属工件表面趋肤层内产生涡流；涡流与偏
置静磁场相互作用产生洛伦兹力，向金属内辐射声 EMAT ᇨฉ٨ ᝠ
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场 [1] 。Thompson [2] 分析了长方形线圈和回折线圈 ӧړតڱ ఻
在两种磁铁配置下的辐射声场，推导时假设线圈中 ೝ฾ଊ݀
电流均匀，半无限大介质表面被磁铁均匀磁化，通过
麦克斯韦方程得到表面力源的解析表达式，再通过 图 1 电磁超声换能器声场指向性测试系统装置示
点力源格林函数计算了场点处不同波模式的声场 意图
位移，得到了三维声场形貌。Lutsenko [3] 将非铁磁 Fig. 1 Schematic diagram of ultrasound field di-
rectivity testing system for the electromagnetic
性材料中的电磁超声发射假设为两个独立的过程，
acoustic transducer
先由电磁波与材料作用产生体力源，而后由体力源
形成声场，忽略相互间的磁弹性耦合，由此可在大致 0.010
描述声场的同时简化计算，发射线圈假设为无限长 0.008
0.006
并列的直导线，将三维声场问题降为二维问题，由洛 0.004
仑兹力计算得到力源，用格林函数矩阵求得力源的 0.002
声场，并对不同参数的弹性波场进行了计算。 Y/V 0
-0.002
针对重载铁路货车在线车轮无需耦合剂的超 -0.004
声检测需求，研制了一套在钢中产生横波的电磁超 -0.006
-0.008
声检测系统。这套系统中使用了可以产生垂直入射
-0.010
声波的螺旋线圈电磁超声换能器，本文对其在钢中 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
X⊳ms
的辐射声场进行了实验研究，并给出了相应的理论
图 2 用压电横波换能器在 0 接收电磁超声在钢试
◦
分析，用于指导实际工程应用。圆形螺旋线圈换能
块上的波形
器是电磁超声换能器比较典型且常用的一种配置
Fig. 2 Piezoelectric shear wave transducer to re-
形式，参考文献 [2–3] 的分析思路，本文先对研制的 ceive the waveform of EMAT on steel test block
电磁超声换能器进行指向性测试，再对该电磁超声 at 0 ◦