Page 190 - 《应用声学》2025年第3期

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a communication rate of 100 kbit/s at a 500 kHz carrier frequency. Furthermore, the study advances the
wireless transmission of an image through metal, attaining a 94.02% similarity compared to the original image.
Keywords: Ultrasonic communication; Electromagnetic acoustic transducer; Decision feedback equalization;
Field programmable gate array

系统，该系统在金属腔体外侧使用EMAT作为发射
0 引言 换能器，腔体内部使用压电材料PZT作为接收换能

器，并基于现场可编程门阵列 (Field programmable
对于不允许穿孔布线的密闭金属腔体，超声波
gate array, FPGA)设计了外围信号处理电路，这种
由于没有电磁屏蔽效应而可实现腔体内外间的无
混合结构可以很好地满足上述应用需求。最终通过
线通信，这在特种工业和国防装备中具有较好的
实验在该系统上实现了 100 kbit/s 的通信速率，完
应用前景。基于超声换能器的种类不同，超声波穿
成了一幅图像的传输。本文的组织结构如下：第一
金属通信系统可分为两大类：压电式超声波通信系
部分引出目前超声波穿金属通信系统存在的问题，
统和电磁式超声波通信系统。其中压电式系统具
并提出解决方案。第二部分介绍 EMAT 的理论模
有结构简单、体积小和能耗低等诸多优点，因而受
型，并设计了换能器。第三部分介绍通信系统的构
到广大研究者的青睐，迄今为止在这方面已有大量
成。第四部分通过实验测试整个系统的通信质量。
的理论和应用研究报道 [1−8] 。需要指出的是，这种
第五部分总结本文的工作内容。
系统要求压电超声换能器 (Piezoelectric ultrasonic
transducer, PUT) 必须无间隙地固定在金属结构
1 换能器设计
上，导致在一些表面粗糙或表面存在油漆、锈迹或
污渍等非金属物质的金属结构上，其通信性能大幅
1.1 EMAT洛伦兹力机理和模型
下降。
EMAT 的换能原理与 PUT 的原理截然不同，
相比于压电式系统，电磁式系统则无需令换能
一般认为 EMAT 是基于洛伦兹力和磁致伸缩两种
器紧密地固定在金属结构上，这使得其可被非常便
机制。对于非铁磁性材料，洛伦兹力起主要作用；对
捷地部署或拆除，同时还使其能够应用于表面较为
于铁磁性材料，由于磁场对材料本身的磁化作用，磁
粗糙或表面存在非金属物质等场景。然而，电磁式
致伸缩起主要作用 [12−15] 。本文中的金属信道为铝
系统的显著不足是换能器的换能效率极低，因此需
板，因此这里只讨论基于洛伦兹力机制产生体波的
要较大的功率来激励，这严重制约了其在超声波通
EMAT。该 EMAT 由提供偏置磁场的磁铁、激发高
信中的应用。在为数不多的电磁式超声波通信系
频电流的高频线圈以及具有导电性的金属试件三
统报道中，2009 年，Graham 等 [9−11] 通过一对电磁
部分组成。由洛伦兹力的原理可知，被测试件内部
超声换能器 (Electromagnetic acoustic transducer,
粒子所受洛伦兹力的大小是由磁场与感应涡流相
EMAT)进行了穿越25.4 mm厚钢板的通信试验，在
互作用形成的，具体方程式如下：
离线信号处理方式下基于 1 MHz 载波频率实现了
1 Mbit/s的通信速率。 F j = J e · (B a + B s ), (1)
在实际应用中，考虑到一些场景下密闭金属腔
其中，B a 表示交变磁场的磁感应强度，B s 表示偏置
体内外间的通信仅在部分时段才会启用，腔体外侧
磁场的磁感应强度，J e 表示金属试件内感生的涡流
的换能器仅在需要通信时才被允许部署，而当不需
密度。可以看到，金属材料中粒子所受到的洛伦兹
通信时换能器则必须被撤除，此时金属腔体外侧的
力由磁铁的偏置磁场和线圈产生的交变磁场共同
换能器采用电磁式结构将更为可行。另一方面，密
激发。由于本文中使用的激励电流较小，因此忽略
闭金属腔体内部储能模块的能量往往较为有限，有
了由动态磁场和涡流产生的垂直力，得到简化后的
限的能量供给将使得内部换能器采用压电式结构
洛伦兹力的表达式为 [16−19]
更为合理。基于这些考虑，本文在前人研究的基础
上，设计了一种电磁 -压电混合结构的超声波通信 F j = J e · B s . (2)