Page 15 - 《应用声学》2021年第3期

第 40 卷 第 3 期 吴迪等： 在线超声检测系统中螺旋线圈换能器的应用 333

其中，P r (r) 为表面力源随半径分布函数，α 1 = 横波声场在周向方向可以覆盖约52 mm的距离。传
√ √
2
2
2
2
α − k ，α 2 = α − k ，k c 、k s 分别为纵、横波 播的径向偏振横波示意图如图7所示。
c
s
2
2
波数，F(α) ≡ (2α − k ) − 4α α 1 α 2 ，µ 为切变模
2 2
s
量，α 为波数积分变量，J为贝塞尔函数。 3 螺旋线圈电磁超声换能器在车轮在线超
声波检测系统中的应用
计算时假设的试块为半圆试块，如图 8所示，要
计算的场点位移S r 和S z 在图8中已标识出来。
基于电磁超声换能器的在线重载铁路货车车
轮超声探伤检测原理和检测结果显示界面如图 10
r
所示。重载货车在线超声检测设备在轨行区布置有
阵列式电磁超声换能器，对车轮的辋裂缺陷进行检
θ
测。针对车轮内部辋裂缺陷，采用螺旋线圈电磁超
S r
声换能器产生径向垂直入射的横波，基于 A 型扫查
S z
z
的超声波检测原理，当换能器阵列的长度大于车轮
图 8 半圆试块及声场位移示意图 周长时，车轮在线滚压通过阵列换能器可完成整个
Fig. 8 Semicircular test block and displacement
轮辋圆周的全覆盖检测，探测出轮辋内部周向辋裂
diagram of ultrasound field
裂纹，检测过程如图 10(a)所示。在线系统的技术指
用钢试块参数代入公式(4)、公式(5)，计算得到 标要求识别出的辋裂缺陷宽度为 40 mm，因此在线
半径 R = 80 mm 上声场位移表达式中横波和纵波 系统将电磁超声换能器布设间距设定为40 mm。利
分量的幅度对比如图 9 所示，由图可知纵波位移远 用研制的 EMAT检测系统的特定重复频率，结合电
小于横波位移。图 9 中声场清晰可见两旁瓣，表明 磁超声换能器的声场指向特性，能确保系统有效检
横波声场具有中空两旁瓣的轴零值特征，另外还可 出40 mm 的整体型辋裂缺陷，同时能够减少因为提
以看到旁边幅度很小的旁瓣，这都和图 3 的实验结 离距离不稳定导致的信号中干扰波形的影响，保证
果是符合的。由于计算时采用的是连续波，导致指
向性和实际脉冲波激励情形不完全相似 [6] ，但通过
连续波的数值计算和与实验结果的对比，可以把握
住螺旋线圈电磁超声换能器的主要特征。辐射的径
向横波声场在螺旋线圈所在圆环区域沿一定角度
(18 ) 向工件内部辐射，在检测最大 80 mm 深度内，
◦
1.0
(a) ևՔᣟᜈᜈጯೝ฾Ԕေ
ഷฉͯረ
ጫฉͯረ
0.8 EMATᢼᣃښጳᡔܦฉᒭүଊ͞ጇፒ
S r⊳S z ॆʷӑͯረϙ 0.6 ᡔಖᎥᬞ

0.4

0.2 ᡔಖᎥᬞ
ᡔಖᎥᬞ
0
-80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80
θ/(O) (b) ೝ฾ฉॎ஝૶ᄊᣄ͈௭ᇨႍ᭧
图 9 半径 R=80 mm 上声场位移横波和纵波分量 图 10 重载货车车轮在线电磁超声检测原理和检测
幅度对比 结果显示界面
Fig. 9 Amplitude comparison of S-wave and P- Fig. 10 The principle of online heavy haul freight
wave components of ultrasound displacement with train wheel EMAT testing and the display inter-
radius R = 80 mm face of detection result