学术简报︱新型电磁超声换能器，小尺寸板材缺陷检测效率高

摘要

河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室、河北工业大学河北省电磁场与电器可靠性重点实验室、天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室的研究人员张闯、魏琦、刘素贞、杨庆新，在2019年第17期《电工技术学报》上撰文指出（论文标题为“小尺寸试件检测用单向单模态电磁超声换能器设计”），用于小尺寸薄板试件超声检测时，兰姆波的频散和多模态特性、电磁超声换能器（EMAT）的多方向发射特性以及板材的端面反射影响等将导致采集的超声回波信号十分复杂，不利于进一步分析信号。

该文在传统EMAT的基础上，依据波的叠加原理，提出一种利用四个曲折线圈激发单向单模态兰姆波的电磁超声兰姆波激励方法，通过改变线圈线间距、激励电流方向和延迟时间等来选择性地控制兰姆波的激发方向和模态，减少缺陷检测中的干扰波，并将其应用于小尺寸板材的缺陷检测。通过与传统单线圈EMAT进行仿真和实验对比，验证了该新型EMAT在10cm长的薄铝板缺陷检测中的可行性，缺陷回波信号清晰可辨，大大降低了后续的信号处理难度。

在航空航天、轨道交通和重型装备工程领域中，小型零部件的损坏将危及结构的整体安全，超声法是应用广泛的无损检测方法之一。但是对于小尺寸试件的超声检测存在诸如近场盲区、边界反射复杂等问题。为确保重大结构和装备的安全稳定运行，如何实现小尺寸试件的缺陷可靠检测尚有待进一步研究。

超声兰姆波因其对表面和次表面缺陷具有一定的敏感性，被广泛应用于板材结构中的损伤检测。然而兰姆波的频散特性使得其在薄板中传播时存在对称和反对称多种模态，导致信号的处理和解析较为复杂，限制了它在识别结构损伤方面的应用效果。

为了获得单一模态兰姆波，国内外学者开展了大量的相关研究工作。采用压电超声换能器激发兰姆波可以通过入射角控制兰姆波的传播方向，但压电超声换能器需要在与待测试件之间的接触面上涂抹耦合剂，会对兰姆波的传播产生影响，降低了检测准确性。

通过电磁超声换能器（Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT）激发兰姆波可以避免耦合剂对超声特性的影响，同时在高温、高腐蚀等测试环境下EMAT比压电超声换能器更具优势。

• 有学者通过两个螺旋线圈彼此相反方向缠绕，分别作为信号发生器和接收器来选择性地激发S0模态并抑制A0模态，S0/A0振幅比可达44.7 dB。

• 有学者通过螺旋线圈和具有相反极性的同心永磁体对设计出一种全向的电磁换能器，可以激发和接收全向的单一A0模态。

• 有学者通过设置上、下对称的两个曲折线圈对兰姆波的模态进行选择性的激发。

现有研究基于EMAT可以产生单一模态的兰姆波，但无法实现单方向单模态兰姆波的激发，而多方向兰姆波在实际应用中需要考虑到端面反射回波对信号的影响，尤其在小尺寸试件的检测中，由于端面距离换能器和缺陷较近，接收器会接收到多模态多方向兰姆波的反射回波，极大地增加了后期信号分析难度。

针对上述问题，本文提出了一种单向单模态电磁超声兰姆波激励方法，可以根据需要向特定方向激发对称或反对称模态兰姆波。在小尺寸试件检测中，该方法可有效降低兰姆波信号的复杂程度和信号处理难度，提高激励和检测效率。文中通过对该方法的激发过程进行有限元分析，并仿真和实验验证所设计的单方向单模态EMAT在小尺寸薄铝板缺陷检测中的可行性。

图12  实验系统平台

结论

针对现有EMAT检测小尺寸薄板缺陷时波形复杂、难于解释、检测失效等问题，本文提出一种利用4个线圈激发单方向单模态的电磁超声兰姆波激励方法，该方法可以通过设置线圈线间距、激励电流方向和延迟时间来控制兰姆波激发模态和发射方向，在一定程度上削弱不需要的模态和向测量侧相反方向激发波的影响。

新型EMAT可以应用到更小尺寸试件的缺陷检测中，并对其可检测的最小试件长度进行了定量分析。通过仿真和实验对比研究，说明了新型EMAT在小尺寸试件缺陷检测中可以简化接收回波波形，为后续信号处理分析减小难度，提高兰姆波在小尺寸试件应用中的缺陷检测效率。

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