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河北工业大学刘素贞等：静态偏置磁场强度对铁磁材料电磁超声换能机制的影响
刘素贞 武云海 张闯 金亮 杨庆新
DOI：10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.170351
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导语
电磁超声检测技术具有无需耦合介质、可应用于自动、高速检测、高温环境下的检测等特点，电磁超声换能器（EMAT）作为该无损检测技术的核心装置，其换能效率低下是影响其应用的主要障碍。EMAT换能机制与被测材料的特性密切相关。由于铁磁材料的磁致伸缩效应使得其磁化过程具有非线性特性，导致其电磁超声换能机制变得更加复杂。本文将着重分析不同磁场强度下铁磁材料中电磁超声换能机制的主导因素，以提高电磁超声换能器的换能效率及信噪比。
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研究背景所
铁磁材料广泛地应用于工业领域中，受服役时间久，环境恶劣，撞击、腐蚀、温度变化等因素影响，金属内部会产生变形、断裂等各种缺陷。对金属损伤的无损检测方法主要有射线检测、漏磁检测、涡流检测、超声检测、声发射检测等。电磁超声检测技术因具有无接触、环境适应性强等特点，被广泛应用于金属材料的无损检测领域。
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论文所解决的问题及意义所解决的问题及意义
通过分析水平偏置磁场从弱磁场到磁饱和过程中三种换能机制所引起的质点位移变化情况，来进一步研究洛伦兹力、磁致伸缩力在特定情况下的主导作用及铁磁性材料中洛伦兹力、磁致伸缩力、磁化力在空间上的变化规律。通过分析不同磁场强度下铁磁材料中电磁超声换能机制的主导因素，以提高电磁超声换能器（EMAT）的换能效率及信噪比。
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在分析铁磁材料的磁化强度随外加磁场的变化情况以及磁致伸缩效应原理的基础上，建立了铁磁材料的EMAT多场耦合模型，研究磁致伸缩力、洛伦兹力、磁化力及其对应的质点位移随B变化的规律，并通过对比铝板和钢板中的感应电压来分析铁磁材料中换能机制的主导地位。
仿真结果及分析
研究磁场变化对三种换能机制的作用，磁场变化范围在0.3~2.5 T之间，对材料中同一位置的质点进行观察，分析质点振动位移随磁场的变化情况，磁致伸缩效应通过添加的预应变来反映。在不同B的作用下观察同一质点的洛伦兹力作用引起的位移、磁致伸缩作用引起的位移与总位移。
图1 质点位移
由仿真结果可知，铁磁材料中的换能机制主要包括洛伦兹力和磁致伸缩力。偏置磁场在未饱和时，磁致伸缩力贡献要大于洛伦兹力，声波幅值随磁场的增加而呈先增大后减小趋势，且为非线性变化；当铁磁材料达到磁饱和后，洛伦兹力占主要因素，此时磁致伸缩效应很小，声波幅值主要由洛伦兹力提供。铁磁材料中磁致伸缩特性的非线性导致了铁磁材料换能机制的复杂性，其应变效果不仅与材料属性有关，还与偏置磁场、交变电流等因素有关。
实验结果及分析
电磁超声检测系统主要包括激发部分和接收部分，其中激发部分包括信号发生器、功率放大器、阻抗匹配、发射EMAT；接收部分包括接收EMAT、前置和宽频放大电路、滤波电路和示波器。实验中采用B=1.2 T和B=0.42 T的永磁铁作为偏置磁场，因铝板中的换能机制主要是洛伦兹力，铁磁材料在忽略作用效果较小的磁化力时含有洛伦兹力和磁致伸缩力，用厚1 mm、长500 mm的薄钢板和铝板作为待测试件，通过对比两板中的感应电压来分析铁磁材料中换能机制的主导地位。
(a) 钢板中感应电压波形
图2 B=1.2 T时接收的感应电压波形
(b) 铝板中感应电压波形
图3 B=0.42T时接收的感应电压波形
实验结果表明：在偏置磁场为1.2 T时，钢板感应电压的接收幅值约是铝板的3倍；在偏置磁场为0.42 T的作用下，钢板感应电压的接收幅值约是铝板的5.87倍。实验中钢板接收电压对应总位移，铝板中接收电压对应于洛伦兹力作用下的位移。通过对比钢板和铝板中接收电压可知A0模态的峰值比值基本一致，实验结果和仿真分析相吻合。在弱磁场时铁磁材料换能机制中磁致伸缩效应占主导作用。
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结论
铁磁材料EMAT的换能机制主要有洛伦兹力、磁致伸缩力和磁化力，其中磁化力的贡献相比其他两种较小。当有外加磁场作用于铁磁材料时，因试件被磁化而使得换能机制变得复杂，随磁化程度不同其换能机制会发生变化。在铁磁性材料的电磁超声换能过程中，非磁饱和时，磁致伸缩效应是换能的主导因素；磁饱和时，洛伦兹力机制起主导作用。
刘素贞，武云海，张闯，等. 静态偏置磁场强度对铁磁材料电磁超声换能机制的影响[J]. 电工技术学报, 2018, 33(9): 2148-2154.
Liu Suzhen, Wu Yunhai, Zhang Chuang, et al. Effect of static bias magnetic field on electromagnetic ultrasonic transducer mechanism in ferromagnetic materials[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(9): 2148-2154.
作者简介
刘素贞 1969年生，女，博士，教授，博士生导师，主要从事工程电磁场与磁技术方面的研究工作。
武云海 1991年生，男，硕士研究生，主要从事电磁无损检测方面的研究工作。
张 闯 1982年生，男，博士，副教授，博士生导师，主要从事电磁无损检测与评估方面的研究工作。
金 亮 1982年生，男，博士，副教授，主要从事电磁场云计算和电磁无损检测方面的研究工作。
杨庆新 1961年生，男，博士，教授，博士生导师，主要从事工程电磁场与磁技术方面的研究工作。
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