Page 192 - 《应用声学》2025年第3期

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根据上述讨论，本文中 EMAT 各项参数如表 1 信领域应用最多的换能器。压电换能器的工作原理
所示。下文没有特殊注明时，默认取永磁体到金属 主要基于压电效应和逆压电效应，因为材料内部的
壁的距离 l 为 1 mm，线圈与金属壁间的提离距离 h 分子和原子结构不对称，在受到外力发生形变的情
为0.4 mm。 况下，在其材料内部的某方向会产生电场，这种效应
表 1 EMAT 参数 被称为压电效应，压电效应使压电换能器可以作为
Table 1 EMAT parameters 声能接收器工作。压电换能器存在声阻抗失配，导
致界面发生强烈反射，因此使用超声耦合剂进行声
参数名 参数值
阻抗匹配，提高传输效率。由于发送端激发的是超
线圈铜线直径 t 0.1 mm
声横波，且目前常规的直射式 PUT 只能接收纵波，
线圈铜线间距 s 4 mil
而斜射式超声换能器对横波的接收更加灵敏，因此
线圈匝数 38
考虑使用斜射式超声换能器作为声能接收器。斜射
内径 r 1 3.08 mm
28 mm 式压电换能器的尺寸主要根据发射端 EMAT 的尺
外径 r 2
7
铜线电导率 σ o 5.80×10 S/m 寸大小，选择尺寸与之相近的商用换能器，工作频率
7
铝电导率 σ m 3.82×10 S/m 则根据通信频段进行选择，本文所选用的换能器为
磁铁直径 D 30 mm 广东汕头超声电子股份有限公司制作的斜射式超
磁铁厚度 L magnet 30 mm 声换能器，实物如图5 所示。
EMAT 由于是在金属内激发出超声波，因此在
12 80
发射端不存在不同介质间的声阻抗失配，不需要进 11 60
行声阻抗匹配，只需做电气匹配。此外，由于EMAT 10 40
本身的谐振频率并不在设计的工作频段内，且在工 9 20
作频段内表现为感性，为了最大化 EMAT的发射功 ᫾ઈ/W 8 0 ᄱͯ/(°)

率，减少了无功功率的产生，在此通过串联谐振的 7 -20
6
方法对 EMAT进行阻抗匹配调谐，其等效电路图如 -40
5
图 3 所示。EMAT 可以等效为电感 L s 和电阻 R s 的 4 ᫾ઈ -60
ᄱͯ
串联，C s 为增加的匹配电容。将匹配后的EMAT固 3 -80
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2
定在金属壁上，通过Agilent 4294A阻抗分析仪测量 ᮠဋ/MHz
其阻抗特性，结果如图 4 所示。从图中可以看出，阻
图 4 EMAT 串联谐振后阻抗特性
抗最小点出现在494.3 kHz处，并且在400∼600 kHz
Fig. 4 Impedance characteristics of EMAT after
处表现出一定的带宽特性。
series resonance

C s
R s
18 mm

28 mm
L s

图 3 EMAT 串联谐振等效电路
35 mm
Fig. 3 EMAT series resonant equivalent circuit
1.3 压电换能器选择
压电换能器相对其他类型换能器在换能效率 图 5 斜射式压电换能器
和制造工艺具备诸多优势，因此PUT是目前超声通 Fig. 5 Oblique beam piezoelectric transducer