Page 76 - 《应用声学》2023年第4期

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radiation directivity of the spiral EMAT and some characteristic parameters which are concerned in the defect
detection, such as diffusion angle, deviation angle and so on. By comparing with piezoelectric ultrasonic
testing, there are complex modes such as transverse wave and longitudinal wave, mode conversion wave and
heterogeneous field distribution, which result in the complexity of spiral EMAT ultrasonic field and limited
EMAT in defect detection applications. These methods are valuable for improving the design of EMAT,
optimizing the control of EMAT radiation field, and expanding the application of EMAT in defect detection.
Keywords: Spiral electromagnetic acoustic testing; Radiated sound field; Computer simulation; Green’s func-
tion; Defect detection
(Truncatedregion eigenfunction expansion, TREE)
0 引言 法来处理具有多匝的螺旋线圈在工件表面产生的

涡流，简化数值计算过程。通过前人的研究，螺旋
早在 1970 年代，人们对电磁超声 (Electromag-
线圈的涡流场解已经达到了很高的精度。但是没给
netic acoustic testing, EMAT) 的研究就有着明确
出螺旋型 EMAT 辐射声场指向性以及在缺陷检测
的目标，即开发非接触缺陷检测的工具 [1] 。虽然对
中比较关心的一些特征参数，如扩散角、偏离角等
EMAT 的理论研究推进了 EMAT 探头设计和仪器
参数。
的发展，但目前还不能认为EMAT是一种通用且有
本文从 EMAT辐射声场角度出发，利用有限元
效的缺陷检测技术。一般认为，这归咎于 EMAT 的
方法 (Finite element method, FEM) 与GFM，得到
换能效率比较低。但随着现代电子技术的发展，具
了螺旋型 EMAT 在非铁磁性材料中辐射声场的基
有高功率发射电路和高信噪比、高增益的接收电
本特征，在 FEM 和格林函数法声场计算结果相一
路的EMAT检测仪，可以在一定程度上弥补EMAT
致的前提下，通过与压电活塞声场进行实验对比，验
技术的这一不足。因此，从辐射声场角度深入探究
证了螺旋型EMAT辐射声场的特征参数。同时本文
EMAT 未能有效应用于缺陷检测的原因也是十分
还分析探讨了螺旋型 EMAT 辐射声场对非铁磁性
必要的。
金属材料中进行缺陷检测时的影响以及与压电超
一般来讲，EMAT 是由永磁体和线圈组成，分
声的区别。
别产生偏置静磁场和动磁场。不同的偏置磁场方
向和线圈形式就能组合出不同的EMAT形式，也就 1 螺旋型EMAT辐射声场的有限元分析
对应着不同的辐射声场指向性。通过研究 EMAT
辐射声场能够得到横波和纵波的指向性，指导应用 1.1 螺旋型EMAT模型
EMAT 进行缺陷检测，对不同的检测场合选用不同 轴对称结构的螺旋型体波 EMAT 的基本配置
的检测参数和探头形式。 如图 1 所示。偏置静磁场的永磁铁为 NdFeB(N52)，
前人已经开展了一些关于 EMAT 辐射声场的 其剩磁强度 B r = 1.4 T，相对磁导率 µ mag = 1.05，
研究工作。Pardee等 [2] 利用格林函数方法(Green’s 高度 h mag = 20 mm，半径 r mag = 15 mm。线圈采
function method, GFM)研究了曲折型EMAT的声 用铜导线绕制，导线半径 r coil = 0.1 mm，距试样表
场辐射，并在数值上得到了曲折型EMAT 的辐射声 面提离距离 h = 0.05 mm，线圈内径 r in = 2 mm，
场指向性。而后，Kawashima等 [3] 就螺旋型 EMAT 线圈外径 r out = 11 mm，线圈匝数 n = 40，施加的
的辐射声场展开了讨论，他们借用了涡流检测中著 电流 I = 50 A。试样材料为铝合金，相对磁导率
名的 Dodd & Deeds 模型得到了在金属工件表面产 µ sample = 1，电导率 σ sample = 3.7 × 10 S/m，横波
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生的涡流大小，但是他们将EMAT 线圈当成单匝环 速度 c S = 3120 m/s，纵波速度 c L = 6120 m/s。为
形线圈考虑，与实际的线圈不太符合。另外，Jiang 了得到辐射声场，采用有限元软件进行频域分析，并
等 [4] 也给出了螺旋型 EMAT 的声场分布，指出在 且利用完美匹配层(Perfectly matched layer, PML)
轴线上并没有横波波幅产生，并给出了临界角的 来模拟无限大半空间，在半空间界面施加应力为 0
计算公式。Zhai 等 [5] 利用截断区域特征函数展开 边界条件。