摘 要：设计了一种新颖的SH板波和Lamb波双模式电磁超声换能探头，可有效应用于工业板材或管材的自动化在线检测。同时简要分析了电磁超声在铁磁性材料中换能Lamb波和SH波的理论，介绍了系统的结构组成和软硬件设计方法，具有较强的指导意义和应用价值。
关键词：电磁超声；SH板波；Lamb波；磁致伸缩
Design and realization of an BiMode eleCTRomagnetIC acoustic transducer
inspection system with SH-plate waves and Lamb waves
ZHANG Zhigang,QUE Peiwen,LEI Huaming
(Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200030,China)
Abstract：An novel electromagnetic acoustic transducer(EMAT) which CAN alternately drive Lamb waves and shear horizontal plate waves(SHplate waves)is designed for inspection of industrial steel plates or pipes.The basic mechanism and the overall structure of the inspection system is presented.The design considerations and methods have been of some values.
Key words：EMAT；SHplate waves；Lamb waves；magnetostriction
0前言
对于无限均匀的弹性层状介质来说，由于上下表面波导的影响，超声波在两表面间来回反射，在满足相位匹配的条件下，入射波和反射波就会形成贯穿层厚的驻波，从而波只能沿层的延伸方向传播，这种情况下的波被称为板波，Lamb波和SH(Shear Horizonta l)板波均是其中的一种［1］。Lamb波的导波特性及对材料不连续性的敏感性早已在 工业自动检测领域得到广泛的认同。SH板波与Lamb波相似，在超声无损检测领域也是极具价 值的，相比SV波和L波，当SH波从平行于偏振方向的表面反射时，SH波不会转化为其他类型的波，且杂乱回波较少，其传输系数也通常高于其他波型。其次，SH波还包括频散现象影响小 、与入射角无关的完全角反射等优点，这些特点为奥氏体材料的无损检测和其他不同焊缝探伤开辟了新的可能性。SH波可以用常规压电换能器来激励，但是实际需要借助于钢质斜契或 高强度耦合，实现起来具有很大的难度，而采用电磁超声换能器(Electromagnetic acousti c transducer)则可以很好的解决SH波的激励和接收问题，Lamb波与SH波的电磁超声激励方法具有的类似结构使得这两种模式波的结合成为可能。
该文设计的这种新颖的双模式电磁超声换能器就充分利用了高敏感的S0波和低衰减、无频散的SH0板波，两种模式波的交替混合激励，对于实际工业应用无疑具有广阔的前景，由于电磁超声换能器工作在无耦合或非接触状态，可以方便对移动物体、远处或危险区域的物体、高温、真空状态下的物体、粗糙表面等操作，因此特别适合于工业条件下对板材、管材的自动化在线操作。
1Lamb波与SH板波的电磁超声激励
电磁超声在导电材料中产生弹性波的机理依赖于材料的性质，在非铁磁性导电中，声波的产生是Lorentz力在材料晶格上作用的结果。而对于铁磁性导电材料来说，除去Lor entz力以外，磁致伸缩力、磁性力也将同时影响到带电离子的运动，而磁致伸缩力在低磁场强度条件下的作用是占据了主导地位。因此电磁超声方法在非铁磁和铁磁性导电材料中的激 励原理和探头结构都是截然不同的，文中设计的双模式电磁超声换能器是以铁磁性导电材料为对象的。
1.1探头结构设计
通常电磁超声换能器包含用于产生偏置磁场的电磁铁，以及产生动态交变磁场的线圈，以高频电流脉冲通入线圈产生的高频交变磁场与电磁铁产生的静态偏置磁场叠加形成的总磁场作为产生磁致伸缩振动的激励源。线圈的结构以及磁场的方向决定了电磁超声探头的激励特性，用于产生Lamb波与SH板波的电磁超声探头结构如图1所示。
综合两种模式波的电磁超声换能方法，设计的双模式电磁超声换能器结构如图2所示，通过两组电磁铁的交替开关，将施加于回折线圈不同方向的静态磁场，从而在材料中交替激发出SH板波或Lamb波。回折线圈的周期D决定着Lamb波和SH板波的波长。
1.2模式选择方法
SH板波的质点振动方向垂直于传播方向，而平行于材料表面(如图1a所示)，因此受材料表面影响较小，同时与裂纹、边界作用基本不会发生模式转换。从图3中的SH板波频散曲线可以看出，SH0模式的相速度不受激励频率和板厚的影响，意味着信号在传播过程中不会发生改变，不过SH0的缺陷检测能力要逊于Lamb波。而Lamb波的振动方向平行于传播方向(如图1b所示)，因此它受表面影响较大，距离衰减也比较严重。但是兰姆波由于对缺 陷检测的高灵敏性，振动位移遍及整个板厚因此被广泛的应用于薄壁材料检测，总体来说，这两种波具有不同的检测特性［4］。
电磁超声技术选择导波模态的关键在于其线圈的周期，由于回折线圈的周期长度就是所激发导波的波长，因此在相速度频散曲线中，就对应了一条斜线，斜率是：
式中cph为相速度，d为检测平板的厚度；图3中给出了SH波相速度频散曲线及斜率关系。
2系统设计与实现
设计的双模式波检测系统应能对裂纹、腐蚀等缺陷作出快速响应，对材料表面的速度、温度、清洁度的敏感降到最低。下面首先分析检测系统的组成结构。
2.1系统分析
系统结构如图4所示，任意信号发生器产生的调谐脉冲，经功率放大器放大后提供探头激励信号。接收线圈中感生出的非常微弱的回波信号首先通过前置放大器放大，经带通 滤波器滤波后，信噪比得到提高，而后再由主放大器放大，送入示波器或工业计算机进行数据分析。由于电磁超声激发的导波信号是双向传播的，为简化信号分析，将探头靠近一侧的平板边沿，从示波器中观察接收到的回波信号。
2.2激励电路
电磁超声作为感性负载与电压换能器的容性负载特性是截然不同的，为了最大化到声能的转换、优化时域响应，激励接收电路的设计考虑必然与压电换能器不同［2］。对于相对较低换能效率的EMAT来说，采用高功率的脉冲群窄带激励，不仅能提高信噪比，而且在超声导波模式的选择上有更重要的作用。这里探头采用了汉宁窗调制的窄带脉冲激励，当曲折线圈被激励时，将会产生中心频率20%范围的窄频带响应，中心频率可在0.1 MHz到2 MHz之间变化。
功率放大器使用了电压开关型的D类功率放大器，它与C类的不同处在于其基极电压和集电极电压均为矩形，而C类的电压为余弦波，能进一步提高效率，降低集电极损耗，具有更高的输出功率。
电磁超声探头线圈的低阻抗，使得发射和接收单元的阻抗失配通常非常严重，为了最大限度利用激励输出的功率，提高信噪比，必须采用合适的阻抗匹配。试验中激励单元使用了电容 串联窄带匹配、接收单元使用了电容并联宽带匹配的方法。
2.3接收电路
放大器的噪声系数和高增益是电磁超声接收电路所主要考虑的，电磁超声微弱 的回波信号通常会淹没在噪声中，所以前置放大器必须是宽带、低增益器件，可对整个幅度范围的超声信号进行线性放大，将信号提升到足以克服后续放大级和滤波电路噪声电平的程度后，通过带通滤波器滤波以进一步改善信噪比，再送入可控高增益放大器进行放大。总增益倍数不低于60 db。回路的接线采用了屏蔽性能良好的同轴电缆和BNC接头。
3实验研究与结果分析
为了试验所设计的双模式电磁超声换能器交替激励接收两种模式板波的有效性，采用了一些实验方法：首先，在厚度为1.0 mm的铁制平板上，测量静磁场强度与回波接收信号幅度的关系，如图5所示。可以看出，SH波与Lamb波的励磁电流变化是不同的。对此现象的解释可以根据A.V.Clark等人的研究结果［3］，Lamb波的励磁源与信号幅度 变化正比于磁致伸缩曲线的斜率，而SH板波的励磁源与信号幅度变化正比于磁致伸缩曲线本身。从实验结果的分析可以看出该结论基本符合实际。
图6给出了从板的边界反射的信号幅度与板的厚度的关系，厚度设置为1.0 m m2.0 mm及6.0 mm，可以看出，两种模式波的回波强度均随板厚度的增加而减小，但SH板波的变化幅度明显小于Lamb波。这个特性表明对于当遇到生产线上板厚经常变化的情况时，SH板波非常有利。
图7给出了从板中人工通孔反射的信号幅度与通孔直径大小的关系，可以看出，相比Lamb波来说，SH0波对通孔变化不是很敏感。
4结束语
文中将Lamb波和SH板波相结合，利用非接触的电磁超声换能技术设计出了一 种不仅可有效激发SH板波，也可同时激发Lamb波的电磁超声检测装置。试验研究结果表明， 两种模式波的激励条件不 尽相同，检测能力和特性各有特色。但均随板厚的增加，检测效率 变得下降。进一步改进系统的检测能力是下一步努力的方向。
参考文献
［1］J.L.Rose.著，何存富译.固体中的超声波［M］.北京：科学出版社，2004 .
［2］B.W.Maxfield,C.M.Fortunko.The design and use of electromagnetic ac oustic transducers(EMATS)［J］.Material Evaluation,1983,41，1399－1408.
［3］Riichi Murayama.Study of driving mechanism on electromagnetic acou stic transducer for Lamb wave using magnetostrictive effect and application in d rawability evaluation of thin steel sheets［J］.Ultrasonics,1999,(37):31－38．
［4］H.M.Forst.Electromagnetic.Utrasound transducer:Principles,Practic e,and Application［M］.Physical Acoustics VOL.XIV 1979 by AcadEMIc Press Inc.
［5］Riichi Murayama,et al.Development of an ultrasonic inspection robo t using an EMAT for a lamb wave and an SH-pate wave［J］.Ultrasonic 2004，42，8 25－829.
