钢轨探伤1章理论 - 图文(10)

电磁超声能用于铁磁材料的检测，必须既能方便地在材料中激发电磁超声，又方便地接收。

例如，对于电磁超声测厚，可采用如下方法：采取永磁体在钢板表面建立一垂直于钢板表面的磁场B，B值可达5 000 Gs以上。在永磁体与钢板之间布置线圈，线圈匝数为50－100，线圈平面垂直于磁场，如图1－38所示。

某一时刻在线圈中加一高压窄脉冲，脉冲波形如图1－39所示，共电压幅度U为500~1000V，脉宽△t为0.1?s左右。强大的脉冲电压在线圈中产生一定的脉冲电流，并在周围产生很强的电磁场。辐射到钢板表面的电磁场，会在钢板表面产生垂直于由永磁体产生的恒磁场B的涡旋电流I。磁场B、涡旋电流I及钢板三者之间的关系如图1－40所示。

图1－38 电磁超声模型 图1－39 脉冲信号图

根据电磁学知识，此涡旋电流I必然受到磁场B的作用而产生作用力F，作用力F的方向平行于钢板表面，指向涡流中心，如图1－41所示。这一作用力持续时间非常短暂，大约等于脉冲电压的脉宽，作用力引起的电磁振动向钢板内传播，方向如图1－41所示。从图中可以看出，作用力F与传播方向相互垂直，此电磁振动是横波。此波到达底面后，有部分透出钢底面，但大部分被反射回来到达钢表面，这部分波称为回波，回波所携带的磁场被线圈接收到。由于电磁超声在钢表面的透射比较弱，钢板中的电磁声可以多次在钢板内来回反射。因此线圈中接收的回波信号将是一系列脉冲串，若采用1 000倍的脉冲放大器对回波信号进行放大，10 mm厚钢板的回波信号

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如图1－42a所示；S1为一次回波，S2为二次回波，Sn为n次回波，Sn与Sn+1之间的时间差th（单位：s），可反映钢板的厚度。图1－42b所示是回波信号经电压比较器后，获得的对应脉冲序列信号。

图1－40 磁场与涡流的关系 图1－41 钢板内F与B的关系

图1－42 回波信号图

3．电磁超声的特点和现状

常规的超声检测和测厚给无损检测工作者带来最大的不便就是需对检测对象的表面进行处理，使其达到一定的表面粗糙度。电磁超声检测与常规方法相比无需机械和液体耦合，进行锅炉、压力容器和压力管道检测时对沾染或结渣轻微的表面无须进行处理，大大减少了辅助性工作量；由于电磁超声探头与工件有一定的距离，因此还可能应用于高温在线检测；同时电磁超声检测速度快，适用于连续生产线的自动检则。综合而言，电磁超声技术具有广阔的发展空间。

目前，电磁超声可以像传统的压电晶片换能器一样，在铁磁性金属件中产生纵波、横波、料声束以及聚焦声束，可同常规的超声检测一样来检查工作中的缺陷。美国材

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料与试验协会为美国电力研究所研制的电磁超声测厚装置可测厚达1mm，准确度为0.05mm；我国的电磁超声检测技术也发展很快，EMAT装置已在钢管自动化检测、钢板自动化检测中进入实用化阶段。但是，电磁超声的缺陷检出能力和信噪比与常规的压电晶片换能器超声检测相比，还有待于进一步研究和提高。

三、超声波远场规则反射体的反射规律 （一）各种规则反射体的反射及其反射声压

如前所述，在远场区中，声束轴线上的声压变化随距离的增加呈单调下降，远场中的入射声压Ｐ基本可按球面波的声压变化规律计算：

?D2AP?P0?P0

4?x?x式中：D－－晶片直径；

A－－晶片面积，如果方晶片，可直接用面积代入，从而简化了运算。 1．大平面（底面）的反射（图1－43所示）

远场中的大平底B，离声源距离为XB，则大平底上的入射声压为：

?D2 P?P04?XB式中：XB－－声程；

λ－－波长。

若把大平底看作镜面反射，则反射到晶片的声压PB，相当于传播2XB声程，则为入射声压的一半，则大平底上的反射声压PB为：

1XD21PB?P??P0?

24?XB2 - 48 -

图1－43 大平底面的反射

2．圆形（平底孔底面）或方形平面的反射（图1－44）

离探头晶片距离X处，有一直径Φ的平底孔（Φ< D）则入射声压为：

?D2 P?4?X?把平底孔看作为一个直径（Φ）为的新声源，则入射声压Ｐ就是新声源的起始声压，所以晶片上接受到的平底孔声压PΦ为：

?D2??2A?A P??P0??P02?24?X?4?X??X?式中：A－－晶片面积；

AΦ－－平底孔面积，对于方形或其它平面，只要按其面积代入。

图1－44 平底孔底面的反射

3．圆柱面的反射

若圆柱体直径为φ，长度为Ｌ，晶片至反射体距离为Xφ，当φ/λ≥2时，则有两种情况：

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（1）长横孔（图1－45所示）

当圆柱体φ的长度大于声束直径时，其入射声压Ｐ为：

?D2P?

4?X?反射声压Pφ为：

?D21?P? ??P04?X?22X?式中：φ－－长横孔直径。

长横孔的反射波具有柱面波的性质，因此其反射声压的后一部分与孔径平方根成正比，与声程平方根成反比。

图1－45 长横孔侧面的反射

（2）短横孔（图1－46所示）

当圆柱体?短的长度Ｌ小于声束直径时，反射声压??短为：

P?短?短?D2L?P0?

4?X?短2X?短?式中：φ短－－短横孔直径。

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