电磁声换能器

电磁声换能器（electromagnetic acoustic transducer，EMAT）是一种用于在导电材料中非接触式产生和接收声波的换能器。其作用基于电磁机制，无需与材料表面直接耦合，在高温、低温、洁净或干燥等恶劣环境中尤为有用。EMAT适用于在金属和/或磁致伸缩材料中产生各种波。根据线圈与磁体的设计和取向，可激发剪切水平（SH）体波模式（垂直入射或斜入射）、表面波、板波（如 SH 波和 Lamb 波）以及各类其他体波和导波模式。R.B. Thompson, Physical Principles of Measurements with EMAT Transducers,Ultrasonic Measurement Methods, Physical Acoustics Vol XIX, Edited by R.N. Thurston and Allan D. Pierce, Academic Press, 1990B.W. Maxfield, A. Kuramoto, and J.K. Hulbert, Evaluating EMAT Designs for Selected Applications, Mater. Eval., Vol 45, 1987, p1166经过数十年的研究与开发，EMAT已在初级金属制造与加工、汽车、铁路、管线、锅炉和压力容器等行业找到应用，常用于金属结构的无损检测（NDT）。

 基本组件 
电磁声换能器有两个基本组件。磁体与电线圈。磁体可为永磁体或電磁鐵，产生静态或准静态磁场。在EMAT术语中，该磁场称为偏置磁场。电线圈以交流電（AC）电信号驱动，频率为超聲波范围，通常为20 kHz至10 MHz。根据应用需要，信号可以是连续波、尖脉冲或tone-burst信号。带交流电流的电线圈同时产生交流磁场。当被检材料靠近EMAT时，通过两个磁场的相互作用在被检材料中产生超声波。

 换能机制 
通过磁场相互作用产生波有两种机制。一种是在材料为导电时的洛伦兹力机制。另一种是在材料为铁磁性时的磁致伸缩机制。

 洛伦兹力 
电线圈中的交流电在材料表面产生涡流。根据电磁感应理论，涡流的分布仅在材料的非常薄的表层，称为趋肤深度（skin depth）。该深度随交流频率、材料电导率与磁导率的增大而减小。通常对于1 MHz的交流激励，钢、铜和铝等常见金属的表皮深度仅为毫米的分数。涡流在磁场中受到洛伦兹力的作用。从微观角度看，洛伦兹力施加在涡流中的电子上；从宏观角度看，由于电子与原子的相互作用，洛伦兹力作用在材料的表面区域。洛伦兹力的分布主要由磁体与电线圈的设计控制，并受被测材料性质、换能器与被测件之间的相对位置以及换能器激励信号的影响。洛伦兹力的空间分布决定了弹性扰动的精确形式以及它们如何从声源传播。大多数成功的EMAT应用基于洛伦兹力机制。B.W. Maxfield and Z. Wang, 2018, Electromagnetic Acoustic Transducers for Nondestructive Evaluation, in ASM Handbook, Volume 17: Nondestructive Evaluation of Materials, ed. A. Ahmad and L. J. Bond, ASM International, Materials Park, OH, pp. 214–237.

 磁致伸缩 
当外加磁场施加到铁磁材料时，该材料会发生尺寸变化，此效应称为磁致伸缩。磁体的磁通场会根据铁磁材料的排列而展开或收缩，从而在线圈中感应电压，变化量受磁场大小和方向的影响。Masahiko Hirao and Hirotsugu Ogi, EMATS For Science and Industry, Kluwer Academic Publishers, 2003电线圈中的交流电流感应出交流磁场，从而在材料中产生超声频率的磁致伸缩。由磁致伸缩引起的扰动随后作为超声波在材料中传播。

在多晶材料中，磁致伸缩响应非常复杂。它受偏置磁场方向、交流电线圈磁场方向、偏置磁场强度以及交流电流振幅的影响。在某些情况下，随着偏置磁场的增加可观察到一或两个响应峰。在某些情况下，改变偏置磁场与交流磁场之间的相对方向能显著改善响应。从定量上，磁致伸缩可用类似于压电常数的数学形式来描述。经验上，需要大量经验来充分理解磁致伸缩现象。

磁致伸缩效应已被用于在钢材产品中产生SH型和拉姆型波。近年来，由于镍的磁致伸缩效应比钢强，使用镍片的磁致伸缩传感器已被开发用于钢材产品的无损检测。

 与压电换能器的比较 
作为一种超声检测（UT）方法，EMAT继承了超声相对于其他NDT方法的所有优点。与压电超声探头一样，EMAT探头可用于脉冲回波、发射-接收（pitch-catch）和透射配置。EMAT探头也可组装成相控阵探头，提供聚焦与波束偏转能力。Gao, H., and B. Lopez, "Development of Single-Channel and Phased Array EMATs for Austenitic Weld Inspection", Materials Evaluation (ME), Vol. 68(7), 821-827,(2010).

 优势 
与压电换能器相比，EMAT探头具有以下优点：

 无需耦合剂。基于EMAT的换能机制，不需要耦合剂。这使得EMAT非常适合在低于耦合液体冰点和高于耦合液体蒸发点的温度下进行检测。它也方便于耦合剂处理不便的情况。
 EMAT是非接触方法。尽管接近被测件更好，但换能器与被测件之间不要求物理接触。
 干式检测。由于不需要耦合剂，EMAT检测可在干燥环境中进行。
 对表面状况不太敏感。对于基于接触的压电换能器，测试表面必须机械加工光洁以确保耦合。使用EMAT时，对表面光洁度的要求较低；唯一的要求是去除松散的氧化皮或类似物。
 传感器部署更容易。使用压电换能器时，测试部件中的波传播角受斯涅尔定律影响。因此，传感器部署的微小变化可能导致折射角的显著改变。
 更容易生成SH型波。使用压电换能器时，向被测件耦合SH波较为困难。EMAT提供了一种便捷的手段来生成SH体波和SH导波。

 挑战与劣势 
与压电超声相比，EMAT的缺点可归纳如下：

 换能效率低。EMAT换能器产生的原始信号通常比压电换能器的功率低。因此需要更复杂的信号处理技术以从噪声中分离信号。
 限于金属或磁性产品。对塑料和陶瓷材料的NDT使用EMAT不适合或至少不方便。
 尺寸限制。尽管已有与一分钱大小相当的小型EMAT，但常用换能器尺寸较大。低外形EMAT问题仍在研发中。由于尺寸限制，EMAT相控阵也难以由非常小的单元构成。
 在钢制品周围操作磁体时须谨慎。

 应用 
EMAT已被用于广泛的应用，并具有在更多领域中使用的潜力，如：

 各种应用的厚度测量。M Gori, S Giamboni, E D'Alessio, S Ghia and F Cernuschi, 'EMAT transducers and thickness characterization on aged boiler tubes', Ultrasonics 34 (1996) 339-342.
 钢材产品中的缺陷检测
 板材分层缺陷检验
 粘结结构层合检测S Dixon, C Edwards and S B Palmer, 'The analysis of adhesive bonds using electromagnetic acoustic transducers', Ultrasonics Vol. 32 No. 6, 1994.H. Gao, S. M. Ali, and B. Lopez, "Efficient detection of delamination in multilayered structures using ultrasonic guided wave EMATs" in NDT&E International Vol. 43 June 2010, pp: 316-322.
 汽车零部件的激光焊缝检测
 卷材接头、管子和管道的焊缝检测H. Gao, B. Lopez, S.M. Ali, J. Flora, and J. Monks (Innerspec Technologies), "Inline Testing of ERW Tubes Using Ultrasonic Guided Wave EMATs" in 16th US National Congress of Theoretical and Applied Mechanics (USNCTAM2010-384), State College, PA, USA, June 27-July 2, 2010.
 在役管线检测M Hirao and H Ogi, 'An SH-wave EMAT technique for gas pipeline inspection', NDT&E International 32 (1999) 127-132Stéphane Sainson, 'Inspection en ligne des pipelines : principes et méthodes, Ed. Lavoisier 2007'
 铁路钢轨与车轮检测
 电力行业的奥氏体焊缝检测
 材料表征H. Ogi, H. Ledbetter, S. Kim, and M. Hirao, "Contactless mode-selective resonance ultrasound spectroscopy: Electromagnetic acoustic resonance," Journal of the ASA, vol. 106, pp. 660-665, 1999.M. P. da Cunha and J. W. Jordan, "Improved longitudinal EMAT transducer for elastic constant extraction," in Proc. IEEE Inter. Freq. Contr. Symp, 2005, pp. 426-432.

除上述属于无损检测范畴的应用外，EMAT还被用于超声通信的研究领域，在该领域中它们在金属结构中产生并接收声学信号。X. Huang, J. Saniie, S. Bakhtiari, and A. Heifetz, "Ultrasonic Communication System Design Using Electromagnetic Acoustic Transducer," in 2018 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS), 2018, pp. 1–4.在无法使用射频的场合，超声通信尤为有用。这包括水下与地下环境以及封闭环境，例如与压力罐内部传感器的通信。

EMAT 在生物医学应用中的研究也在进行中，特别是用于电磁声成像。

 参考 

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