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7电磁超声换能器的研究进展综述王淑娟, 康磊, 赵再新, 翟国富（哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院, 哈尔滨, 150001）摘要：传统的压电式换能器为了保证换能效率，不仅需要声耦合剂来实现与被测物的良好接触，而且常要求对被测物表面进行较为繁琐的预处理。20世纪60年代出现的电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer, 简称EMAT)是一种新型的超声发射接收装置。因为无需与被测物相接触，EMAT将传统的超声波无损检测技术扩展到了高温、高速和在线检测中；同时，由于能够省略对被测物表面的预处理工作，EMAT显著提高了检测的效率。本文以近十几年的文献为基础，从EMAT装置的设计与优化、EMAT模型的建立、EMAT接收信号的处理、电磁超声技术的工程应用几方面对EMAT的研究现状和最新发展进行了综述。 关键词：电磁超声换能器; 无损检测; 建模; 信号处理中图分类号：TP23 文献标识码：AOverview of Research Advances in Electromagnetic Acoustic TransducerWANG Shu-juan, KANG Lei, ZHAO Zai-xin, ZHAI Guo-fu(School of Electrical Engineering and Automation, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)Abstract: With a consideration of the energy-converting efficiency, traditional ultrasonic transducers like piezoelectric transducers not only have to use ultrasonic couplant to make sure a good contact between transducers and the test piece, but also highly require that the surface of the test piece must be clean guaranteed by a pretreatment which is usually a long and complicated process. Electromagnetic acoustic transducer (EMAT) is a new ultrasonic transmitting and receiving device which was firstly invented in 1960s. As a non-contact transducer, electromagnetic acoustic transducer has extended traditional ultrasonic applications into elevated temperatures, high speeds and in-line detections fields. In addition, without the necessity of a good condition of the surface, preparation works of the test piece also can be omitted and thus lead to a great improvements of the detection efficiency. Based on papers published in the past ten years, the present state of research and advances in this field are summarized, including design and optimization of EMAT, modeling of EMAT, signal processing of EMAT, and applications of electromagnetic acoustic technique.Key words: electromagnetic acoustic transducer; nondestructive test; modeling; signal processing电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer, 简称EMAT)是一种在导体中激励和检测超声波的换能装置。非铁磁材料中超声波的产生和接收可以用洛伦兹力(Lorentz力)原理来解释；而铁磁式导体中除Lorentz力外，磁致伸缩作用也是其工作的主要原因，并且此时磁致伸缩力常占主导作用。传统的压电式换能器为了保证换能效率，不仅需要声耦合剂来实现与被测物的良好接触，而且常要求对被测物表面进行一定的预处理。20世纪60年代末期出现了可以直接在导体中激发与接收超声波的电磁超声换能器。EMAT的出现，将超声波探伤的应用扩展到高温、高速和在线检测领域，引起了固体物理学、声学和无损检测各方面研究人员的广泛关注。与压电式换能器相比，EMAT具有明显的优势：(1)与被测物无接触而省去声耦合剂，测量的可重复性好；(2)无需对试件表面进行处理，检测效率大大提高；(3)可以方便地产生多种类型的超声波；(4)该技术对人体及环境无危害，是环保型技术。电磁超声换能器以其无接触性、经济性、环保性和较强的环境适应性在无损检测领域中显示出强大的生命力。但是，EMAT也存在一些不容忽视的缺点：(1)转换效率低，接收到的超声波信号幅值小；(2)对周围环境噪声敏感度高，接收信号常被淹没在噪声中；(3)辐射模式(Radiation Pattern)较宽，能量不集中。现在，随着EMAT性能的不断提高，以EMAT为核心的电磁超声技术已逐步成为无损检测领域中的主流技术1。目前，对EMAT的研究主要包括EMAT装置的设计和优化、 EMAT模型的建立、EMAT接收信号的处理和电磁超声技术的工程应用等方面。 1 EMAT装置的设计和优化EMAT的换能效率比压电式换能器低2040dB左右，但通过改善装置的设计可以极大地提高它的性能。对于以Lorentz力为原理工作的EMAT，当体波的波长远大于集肤深度、并忽略因衍射而引起的损耗时，Maxfield 给出了接收线圈中感应电压的表达式1： (1)其中，是接收线圈上的电压，发射线圈上的电流，是单位长度线圈的匝数，是静磁场的磁感应强度，是线圈的有效面积，是探头与试件间的距离，是线圈的直径，是与几何形状有关的常数，是纵波或横波在试件中的声阻。这一公式联系发射与接收两个过程，将影响系统性能的多个因素集中在了一起。如果忽略放大器产生的噪声，并假定已实现理想的匹配，Chirlian 给出了接收噪声的表达式1： (2)其中，是由常数乘以单位电荷电量所得的常数，是开氏温度，是放大器的带宽，是线圈的总电阻。将(1)式与(2)式相除，并把输入电流和线圈电阻用输入功率来表示，进一步化简，可以得到信噪比的表达式1： (3)其中，是发射线圈输入的功率，是线圈单位面积上的电阻，是线圈的宽度。以上这些表达式虽然做了很多简化，但对EMAT的设计起着极为重要的指导意义。从(3)式可以看出，影响系统效率最为关键的因素是所施加偏置磁场的磁感应强度，它与信噪比成平方关系。近几年来具有强磁场永磁体（如钕铁硼）的采用大大提高了EMAT的效率。钕铁硼能够产生1T左右的强磁场，并可以使探头的结构变得紧凑2，目前被广泛使用。输入功率对提高信噪比起着重要作用。电子器件的迅速发展使制造大功率的发射电路成为可能，现在功率晶体管可以在超过10MHz的频率下稳定运行，并可以向线圈提供10kW的高能量脉冲，以至于目前限制功率提高的因素变为线圈的散热能力1。另一方面，在接收电路中采用低噪声前置放大器，也进一步减小了由器件产生的噪声。系统的信噪比与探头和待测物的距离成负指数关系。当距离增大时，由于提离效应的影响，EMAT的效率会显著降低。对于采用曲折式线圈的非铁磁材料，间距每增加一个声波波长，声信号幅度就会下降107dB 3。因此探头与试件的距离应尽可能小。为提高线圈的转换效率，现在广泛使用的线圈形状有螺旋线圈和曲折线圈两种，其中螺旋线圈主要产生体波。曲折线圈除了可以产生体波外，还可以产生表面波、板波、具有一定传播角度的体波、以及水平剪切波(SH波)。曲折线圈的间距也有不同的布置，它包括等间距和不等间距两种。等间距线圈较为常用。为了改善EMAT发射波能量不集中的缺点，通过引入不等间距线圈可以将超声波在试件内部聚焦。Ogi等人把垂直剪切波(SV波)在铝块中汇聚成一条直线4。该方法采用印刷电路板(PCB)技术，使曲折线圈的间距连续均匀变化，能够检测到试件表面0.05mm的凹痕。PCB技术使线圈的制作可以达到1的精度。聚焦的原理如图1所示6。轴表示试件表面方向上各匝线圈与首匝线圈之间的距离，轴表示从试件表面到其内部的深度。已知声波的频率和波速，对于给定的聚焦位置，第一匝线圈与聚焦线的距离可以表示为：，第匝线圈的位置，与之差满足倍波长的关系：5,6。 图1 不等间距线圈聚焦原理图在优化单个探头的基础上，将多个EMAT组合成相控阵，EMAT的性能得到进一步提高。基于惠更斯原理设计的超声相控阵技术能生成可控指向的声束和聚焦深度，实现对复杂结构件和盲区位置缺陷的精确检测；可在保证检测灵敏度的前提下实现高速电子扫描，不移动工件进行高速检测；聚焦区域的实际声场强度远大于常规的超声波技术，从而对于相同声衰减特性的材料可以使用较高的检测频率7。将EMAT易于产生SH波的特点与相控阵结合所构成的相控阵EMAT (Phased Array EMAT)使EMAT的功能变得空前强大。Sawaragi在已有的4单元相控阵EMAT基础上，研制了具有8单元的EMAT8。Yamada等人设计了楔形的相控阵EMAT系统，通过实验证明此系统可以实现对缺陷更精确地测量9。MacLauchlan等人设计的相控阵EMAT用于隐弧焊的在线检测，该EMAT已达到32通道、最大100kW的驱动功率，每秒可调整声束20000次1。2 EMAT模型的建立EMAT工作过程的理论研究主要集中在EMAT的建模仿真、以及对电磁超声波发射和接收物理过程的认知上。准确的模型有利于对EMAT工作过程的分析，并对系统优化起到指导作用。随着研究的逐渐深入，EMAT的模型不断被完善。1992年Ludwig以麦克斯韦方程和柯西运动定律为基础建立了独立的电、机械和材料子系统数学表达，使得一套完整的控制方程和边界条件以简洁的形式表达出来，并运用到了时域数值计算中10。随后，Ludwig等人建立了多级的电磁超声换能器模型11。通过在以前工作的基础上加入接收过程的描述，一个包括发射与接收的完整EMAT模型首次被建立起来。模型在精确性方面也有所提高。通常，对EMAT分析所用的模型都是在假定线圈中电流均匀分布、或通过假定线圈无限大从而忽略端部效应的基础上建立的。但这些假设与换能器的实际结构存在差别，并直接导致了理论值与实测值之间的差异。当含有高次谐波时，这种情况变得尤为严重。Hussein采用矩法，给出了在有限线圈下导体电流的解12。作为理想模型的推广，Coakley等人建立了与实验数据更为相符的EMAT的经验模型13。Mirkhani等人介绍了对检测非铁磁材料的发射探头所建立的完整模型，作者详细计算了磁铁产生的磁场，从而为磁铁结构的最优设计提供了参考14。有限元分析基于变分原理从全新的角度求解一类偏微分方程，不仅求解性能好，而且求解精度也较高，是一种应用于EMAT模型行之有效的数值分析方法。1990年Lerch采用有限元方法建立了压电超声换能器的电磁学模型和弹性动力学模型15。1997年Kaltenbacher等人首次将EMAT的发射和接收过程同时进行了仿真16，提出一种基于有限元和边界元的更为精确的算法，并研制出专用软件CAPA。采用该软件他们对EMAT工作的全过程包括涡流、质点位移、接收线圈上的电压等进行了仿真。1999年Kaltenbacher等人介绍了一种基于有限元方法的数值计算方案17，2000年Lerch又提出通过有限元、边界元以及多重网格(Multigrid)法对换能器进行建模18。多重网格法可以根据物体形状的复杂程度灵活地改变网格的数量，有限元计算的多重网格方法显著提高了有限元分析性能，使有限元分析对包含复杂外型的EMAT具有更强的适应能力。3 EMAT接收信号的处理EMAT对噪声十分敏感，仅从结构上优化往往很难达到满意效果，对接收信号的处理也是EMAT系统设计中必不可少的环节。目前，对EMAT接收信号处理的研究主要集中在提取回波峰值信息和对超声波声场成像两方面。通过对EMAT重复接收到的信号取平均值可以去除随机的电噪声，但要求对信号长时间的重复测量限制了该方法在实时检测中的应用；窄带滤波对提高信号质量来说应是首选，针对特定频率设计的陷波滤波器可以有效地去除EMAT接收信号中该频率的电噪声，但是却使系统对可能存在的频率漂移较为敏感。傅里叶变换在信号分析中较为常用，可是这种方法将使EMAT接收信号失去所有的时域信息：如采用反射法计算缺陷位置时，所需的回波峰值的时刻。小波变换可以进行时频域分析，成为EMAT信号分析中一种重要的处理方法。采用EMAT作为实验装置，Legendre等人介绍了两种基于小波变换对Lamb波进行分析的方法19。小波变换通过灵活调整窗口尺寸，能够轻松地从EMAT接收信号中分离出有用分量。多尺度分析的一个主要优点是十分适合检测峰值信息，尤其是对于混杂在大量噪声中的EMAT接收信号，它的优势更为明显。2001年Legendre在小波变换分离出有用信息的基础上，运用神经网络对EMAT接收信号进行分类20，这种分析和分类的过程可以实现焊缝的电磁超声自动检测。EMAT常采用正弦脉冲波作为激励信号，Ziarani 等人提出了一种适合对该信号进行处理的算法21。通过调整算法中的参数，可以方便的调节计算精度和所用时间。这种算法所需计算机资源较少，尤为适合实时处理的工业场合。 超声波成像技术也被应用于EMAT接收信号的处理中。Hutchins等人采用合成孔径聚焦技术(SAFT)对检测信息进行处理并成像22，同时对常用SAFT法做了修正，更适于EMAT的信号处理。 1992年Hutchins采用激光脉冲在薄铝板中产生Lamb波、EMAT接收产生的信号，并利用层析重建(Tomographic Reconstruction)技术对缺陷进行了成像实验23。Spies对SH波在材料中传播所出现的现象如歪斜、分束、畸变进行仿真和成像24。通过三维建模和绘图可以显示出声场的全景图像，为研究声波在介质中的传播过程、以及设计优化具有复杂外形的换能器提供了重要的方法。4 电磁超声技术的工程应用以EMAT为核心的电磁超声技术只能对具有良好导电性的物体进行检测，但由于无需接触、可在高温下运行、高检测效率等诸多优点，目前被广泛应用在测厚、炼钢、焊接、管道、钢板以及铁路等多方面的无损检测中。测厚方面，Kawashima介绍了一种用于测量样品厚度和样品内声速的高频(200MHz)共振EMAT 25。文献26对按照典型宇航规范粘合的铝板进行了粘合层检测试验，采用EMAT不仅可测量出粘接层的厚度，而且还成功地检测出了多种缺陷 26。 钢铁冶炼过程中温度参数对产品的质量起关键作用。根据声速与温度的特定关系，Baharis采用电磁超声换能器对运动中温度高于1000摄氏度的铸钢进行了在线检测。EMAT不仅可以测量出试件内部的平均温度，而且显示出很强的鲁棒性27。EMAT能够稳定地在高温下运行，并且十分容易产生SH波，因而被成功地用于焊接质量的在线检测中2832。绝大多数声波都会因焊接的两板厚度不同而在焊接处发生反射并淹没了由焊接缺陷产生的回波，SH波在不同厚度的钢板中声阻近似相同，所以不存在这一问题。Salzburger采用EMAT产生SH波，对钢板的激光焊接质量进行检测28。2001年Salzburger采用该技术实现了钢板焊接的自动检测 29。导波可以在管线和铁轨中传播相当长的距离(铁轨中可达2134km33)。利用导波，EMAT可以实现对长管线和铁轨的检测。Rose等人分别采用EMAT和空气耦合换能器接收铁轨中频率在40-80KHz的导波33。文献34介绍了两种移动式无损检测机器人系统。置于管线外表面的机械手采用电磁超声技术能探测出管道内壁的缺陷：如小孔，裂缝以及因腐蚀而导致的管壁变薄，该系统可以对火电厂的锅炉管道和工业现场中的大型管线进行自动检测。电磁超声换能器在对材料性能如钢板的可模锻性、金属板的拉伸性、以及材料表面及内部的残留应力等方面的评估也有很多应用。Murayama应用EMAT对冷轧钢板的可模锻性进行了评估，随后通过检测超声波传播时间计算出超声波的速度，并由此得到火车车轮内的残留应力35。很多文献都对EMAT估算残留应力作过研究，罗瑞灵等人对此问题做了综述36。Papadakis等人设计了一种采用EMAT预测金属板拉伸性能的装置。该装置自动从与轧制方向成0度、45度和90度的三个方向测量超声波的相位延迟，并由此计算出轧制板中的杨氏模数E，通过相关图就可以查出平均塑性应变比37。文献38介绍的新型EMAT可以用来测量磁致伸缩应力，这种EMAT装置特别适合于无法使用应变片或只对试件近表面磁致伸缩应力感兴趣的场合38。电磁超声谐振(EMAR)技术是电磁超声技术和超声波谐振技术的综合应用。Ogi 在多晶质纯铜形变过程中，运用电磁超声谐振法对超声波的声速和衰减进行了连续测量。传统的压电式换能器常会由于耦合介质的存在而影响测量的准确性，EMAT无需接触的特点可以使实验获得非常精确的测量值39。目前，国外已进入电磁超声技术的工业应用阶段。美国、日本、德国、以及加拿大等国对EMAT进行了许多研究。国内对电磁超声的研究起步较晚，但由于无需接触等诸多优点，EMAT越来越多地受到广大无损检测工作者的关注。可以预见，随着性能地不断提高，在不远的将来电磁超声技术必将在我国的无损检测领域发挥出不可替代的巨大作用。5 结论本文从EMAT装置的设计与优化、EMAT模型的建立、EMAT接收信号的处理、以及电磁超声技术的工程应用几方面对电磁超声换能器的研究现状和最新发展进行了综述。应用各种新的分析方法（例如有限元、边界元法）使EMAT模型更加精确，精确的模型加深了对EMAT物理过程的认知，指导和完善了EMAT系统的设计，极大地提高了系统的效率；信号处理方法（例如小波分析）有效地从噪声中提取出有用信息，进一步减小了噪声；新技术的应用（例如相控阵技术、聚焦技术、谐振技术以及成像技术）使EMAT的功能变得更加强大。总之，电磁超声换能器以其无接触性、经济性、环保性和较强的环境适应性在无损检测领域显示出强大的生命力，已逐渐成为无损检测领域中的主流技术。 参考文献1 MacLauchlan D, Clark S, Cox B, el al. 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Electromagnetic Acoustic Resonance for Studying Dislocation Formation in Polycrystalline Pure Copper during Deformation. 1997 IEEE Ultrasonics Symposium, 1997: 507-510.作者简介：王淑娟（1967-），女，博士，教授（博士生导师），任教于哈尔滨工业大学，从事电力电子设备可靠性容差设计与故障诊断理论及应用的研究。通信地址： 哈尔滨工业大学404信箱（150001）电话：0451-86413604、0451-8640251413009844249Email地址：wsj603康磊（1981-），男，硕士，就读于哈尔滨工业大学电力电子与电力传动专业，从事基于电磁超声的火车车轮裂纹检测系统的研究。
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