Page 108 - 《应用声学》2022年第3期

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材料表面中产生洛伦兹力引起的机械振动，另一
0 引言
种是基于交变磁场在铁磁性材料中由磁致伸缩力
随着铁路运输的大力发展，重载货车作为煤炭 产生的机械形变 [1] 。这两种机理的电磁超声换能
运输的主要装备在能源运输领域得到了广泛应用。 器都无须涂抹耦合剂即可产生超声波，可应用在快
货车车轮，无论是轧制还是铸造工艺，往往都会在其 速自动化检测中。考虑到电磁超声表面力源的复
轮辋内部存在着内部缺陷(气孔、夹杂等)，在其后探 杂性，一般要通过测量和计算对力源做一定近似。
伤过程中，漏探的缺陷和未超过标准限定值的小缺 Kawashima [2] 推导了电磁超声水平径向力源在柱
陷可能存在于新制车轮中。车轮装车使用后，这些 坐标系中声波位移的严格解析解，通过数值计算得
留存的缺陷随着货车的长期运用，车轮受到持续不 到该力源辐射声场的指向性图。Ludwig 等 [3] 从能
断的循环应力，当条件满足时，裂纹以这些微小缺陷 量守恒的角度给出了一套完整的电磁场方程及其
作为疲劳源开始扩展，最后形成大面积的辋裂缺陷 边界条件，通过数值计算得到了试件中的静磁场分
(如图 1(a) 所示)、掉块 (如图 1(b) 所示) 等危害型缺 布和脉冲涡流分布，即可知力源分布，然后和声场
陷，直至崩轮，将造成严重的行车事故。因此，必须 耦合，得到各向同性介质中的暂态声场。Mirkhani
对铁路重载在役货车车轮进行定期无损探伤。超声 等 [4] 提出了模拟电磁声场的完全公式，计算了线
在线检测系统可以在不拆卸轮对的情况下，对在役 圈和 Nd-Fe-B 永磁体在非铁磁材料中产生的涡流
运行状态的铁路货车车轮轮辋实施超声波自动探 的大小和磁感应强度大小，由此得到工件中由洛仑
伤，但由于运煤货车通过该系统时会产生粉尘和煤 兹力产生的表面力源。周进节等 [5] 通过有限元建
渣掉块，堵塞设备出水孔，用非接触的超声波耦合方 模方法，分析了跑道形线圈 EMAT的力源简化模型
式替代传统水耦合压电超声换能器对货车车轮进 及其辐射声场的特性，给出在单磁体永磁铁配置下
行在线检测显得非常必要。 跑道形线圈换能器辐射的横波声场指向性是关于
EMAT中心轴线成“蝶”形对称分布，中心轴线上声
压为0。
本文研制了一套在钢中产生垂直入射水平偏
振横波的电磁超声探伤系统，使用了跑道形电磁线
圈超声换能器，采用文中设计的这种跑道形电磁线

(a) ͞૯ᢼᣃЯᦊܸ᭧ሥᣟᜈᎥᬞ 圈结构无需耦合剂即可在货车车轮中产生垂直入
射纯水平偏振横波，如图 2 所示。线圈为严格跑道
形，如图 2(a) 所示，用特制绕线机绕制实现，产生涡
流的有效区域为跑道的长边形成的圆形区，其余部
分用薄铜片进行屏蔽，如图 2(b) 所示。薄铜片置于
线圈和被检工件之间，阻止在屏蔽的工件金属介质
表面产生涡流，只有未屏蔽的区域可以产生涡流，形
成表面力源。用双磁体永磁铁产生垂直静磁场，如
图 3(a) 所示，磁极覆盖整个有效区域，在金属介质
(b) ᣟᜈᎥᬞ࠮ᒱᄊᢼᣃ଀ڱ 表面形成非均匀外磁场。静态垂直外磁场和涡流的

图 1 伤损车轮辋裂缺陷及车轮掉块实物图 作用产生剪切力源。此种线圈和永磁铁的配置通过
Fig. 1 Physical picture of damaged wheel rim 洛伦兹力机理可产生非均匀的水平剪切应力，理论
crack defect and the falling block region in dam- 上能够产生较纯的水平偏振横波。本文根据跑道形
aged train wheels 电磁线圈换能器的磁场和线圈配置，将表面力源近
电 磁 超 声 换 能 器 (Electromagnetic acoustic 似为水平剪切力源，如图 3(b) 所示，数值计算得到
transducer, EMAT) 产生超声波的机理主要有两 此力源的辐射声场的声场分布图和指向性图，有助
种：一种是交变电磁场和外磁场共同作用在金属 于理解此类换能器的声学特性。