GB/T 20935.1-2018
基本信息
标准号： GB/T 20935.1-2018
中文名称：金属材料 电磁超声检测方法 第1部分：电磁超声换能器指南
标准类别：国家标准(GB)
标准状态：现行
出版语种：简体中文
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标准分类号
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出版信息
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标准简介
GB/T 20935.1-2018 金属材料 电磁超声检测方法 第1部分：电磁超声换能器指南
GB/T20935.1-2018
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标准内容
ICS77.040.20
中华人民共和国国家标雅
GB/T20935.1—2018
代替GB/T20935.1—2007
金属材料
电磁超声检测方法
第1部分：电磁超声换能器指南
Metal materials-Method of electromagnetic acoustic inspection-Part 1:Standard guide for electromagnetic acoustic transducers(EMATs)2018-03-15发布
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会
2018-12-01实施
GB/T20935《金属材料电磁超声检测方法》分为以下3个部分第1部分：电磁超声换能器指南；第2部分：利用电磁超声换能器技术进行超声检测的方法；第3部分：利用电磁超声换能器技术进行超声表面检测的方法。本部分为GB/T20935的第1部分
本部分按照GB/T1.1一2009给出的规则起草GB/T20935.1—2018
本部分代替GB/T20935.1一2007《金属材料电磁超声检验方法第1部分：电磁超声换能器指南》，与GB/T20935.1—2007相比主要技术内容变化如下：增加了第5章
应用条件（见第5章）；
删除了第8章
人员资格要求（见2007年版第8章）；删除了第9章
应用内容（见2007年版第9章）；增加了资料性附录A电磁超声换能器典型应用实例（见附录A）。本部分由中国钢铁工业协会提出。本部分由全国钢标准化技术委员会（SAC/TC183）归口。本部分起草单位：钢铁研究总院、钢研纳克检测技术有限公司、冶金工业信息标准研究院。本部分主要起草人：范弘、张建卫，张克、沈海红，徐磊、董莉。本部分代替标准的历次版本发布情况为：GB/T20935.1—2007。
GB/T20935.1—2018
超声技术已经充分确立了其在无损检测领域中的地位。起初，超声波的产生主要通过压电效应实现电能与机械能的转换，这是产生超声波的一种有效方法。但它的缺点是，为了使超声波能顺利地进人被检材料，需要液体做耦合介质。在使用耦合剂时，通常是将被检材料浸液体或在材料表面涂抹薄层液体。
电磁超声换能器不需要与被检材料接触就可向其中发射和接收超声波。但是，电磁超声检测的对象必须是金属材料（铁磁性或非铁磁性）。电磁超声换能器的超声发射器由金属线圈组成，将其放在金属材料（铁磁性或非铁磁性）表面的稳恒磁场中，利用交变电流来激励产生超声波。金属材料表面根据变压器原理感应出电流，电流在磁场中受洛伦慈力的作用产生振荡应力波（在铁磁性导电材料中有时磁致伸缩力和落伦兹力共同作用）。在接收超声波时，导体表面在磁场中振荡而在线圈中感应出电压。上述转换过程都是在材料的电磁趋肤层内进行的。电磁超声换能器是一种重复性很好的非接触式超声波发射和接收系统。
-iiiKAoNniKAca
1范围
金属材料电磁超声检测方法
第1部分：电磁超声换能器指南
GB/T20935.1—2018
GB/T20935的本部分给出了使用电磁超声换能器（EMATs）进行超声检测的意义和用途，应用条件、标定、原理和系统配置指南。本部分为确认电磁超声换能器在特定应用中的有效性提供基本参考。注：本部分不包含电磁超声换能器特殊应用的详细方法，不提倡未经充分试验就将电磁超声换能器用于实际检测。在附录A中简要介绍了电磁超声换能器的一些应用实例。2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件GB/T9445无损检测人员资格鉴定与认证GB/T11259无损检测超声检测用钢参考试块的制作和控制方法GB/T12604.1无损检测术语超声检测GB/T12604.6无损检测术语
涡流检测
JB/T10062
3术语和定义
超声探伤用探头性能测试方法
GB/T12604.1和GB/T12604.6界定的以及下列术语和定义适用于本文件3.1
电磁超声换能器
electromagnetic acoustic transducer;EMATs在磁场中进行电能-声能转换的电磁装置。3.2
Lorentzforces
洛伦兹力
电流在磁场中所受的力。
注：洛伦兹力垂直于磁场和电流方向，与电机的原理相同3.3
magnetostrictive forces
磁致伸缩力
铁磁性材料在磁化时，磁畴壁移动产生的力。3.4
meander coil
回折线圈bZxz.net
周期绕制的不相交且有均匀间距的电磁超声换能器线圈，3.5
扁平（螺旋）线圈
pancake(spira)coil
螺旋形绕制的具有均匀间距的电磁超声换能器线圈。1
iiKAoNhikAca
GB/T20935.1—2018
体波bulkwave
无损检测中用来探测体积材料的超声波，可以是纵波也可以是横波。4意义和用途
4.1概要
超声检测是一种广泛应用的无损检测方法，大多数超声检测使用压电晶片实现电能与声能的直接转换。本部分介绍的是一种以非接触方式在铁磁性或非铁磁性金属材料中实现电能-声能转换的技术。电磁超声换能器与压电超声探头相比有其独特性，在某些超声检测场合是一种重要的技术手段。4.2优点
因为电磁超声换能器技术是非接触式的，所以它不需要液体耦合，故而可用于动态检测，远距离或危险场所的检测、高温和表面粗糙材料的检测。由于这种技术不使用具有潜在污染或危险的化学品，所以是环保的。它对于复杂几何形状物体的扫查速度快。基于电磁超声波的产生机理，其信号具有很好的可重复性。电磁超声换能器不需要模式转换就可产生水平偏振横波（SH波）并利用SH波进行扫描检测。电磁超声换能器还具有利用电方法控制横波方向的能力。注：传统超声技术需要使用环氧树脂或高黏滞性耦合剂才能产生这种模式的波，所以传统超声技术不轻易使用SH波进行检测。
4.3局限性
电磁超声换能器效率很低。与传统超声方法相比，电磁超声换能器的插人损失高达40dB甚至更多。电磁超声技术只能用于铁磁性或非铁磁性金属材料。电磁超声换能器探头的设计比压电探头复杂。由于效率低，电磁超声换能器需要特殊装置来发射和接收信号，强发射电流、低噪声接收器以及精确阻抗匹配在系统设计中都是必须的。电磁超声换能器与压电换能器一样有其特定的应用范围。5应用条件
如果合同要求，实施本部分检测的人员应取得由相关部门按GB/T9445或等效标准鉴定的技术资格，并经雇主授权。资格鉴定依据的标准（含版本年号）应在合同中注明6标定
6.1对比试样
与传统的压电超声检测一样，电磁超声检测应制作一套能够显示被检材料预期不连续性的对比试样，用来校验灵敏度，见GB/T11259（铝参考试块的制作与检验方法可参照本标准）。6.2换能器
传统接触式压电换能器的标定方法一般都适用于电磁超声换能器，见JB/T10062，必要时可作适当修正或修改。本部分不包含专门用于电磁超声换能器的标定方法。2
iiKANiKAca
7原理
7.1非磁性导电材料
GB/T20935.1—2018
7.1.1在导电材料中产生弹性波的机理取决于材料的性质。在非磁性导电材料中，声波的产生是洛伦兹力作用在材料晶格上的结果。可以利用固体自由电子模型描述洛伦兹力的作用。根据导体自由电子理论，原子的外层价电子脱离原子晶格的束缚，剩下带正电的离子处在自由电子云中。为了在材料中产生弹性波，合成力应作用到材料晶格上。如果仅利用涡流线圈在导体中产生电磁场，则作用在材料晶格上的合力为零，这是因为作用在电子上的力和离子上的力大小相等、方向相反，见式（1）、式（2）。F电子=—qE
F离子=+qE
式中：
q——电子电荷，单位为库仑(C)；电磁超声换能器的电场强度矢量，单位为牛顿每库仑（N/C)。+...
...(1)
......(2)
7.1.2如果上述电磁场处于外加稳恒磁场中，作用到晶格上合力就会产生弹性波。此合力就是作用到电子和离子上的洛伦兹力，见式（3）。FL=qXB
式中：
电子的运动速度，单位为米每秒（m/s）；B—稳恒磁感应强度矢量，单位为特斯拉（T)（3)
7.1.3电子可以自由移动，离子被晶格束缚。由于电子具有速度，所以作用在电子上的洛伦慈力很强这种力通过碰撞作用到晶格的离子上。7.2磁性导电材料
在磁性导电材料中，磁致伸缩力和洛伦慈力同时影响离子的运动。在磁性材料中，电磁场能改变材料的磁致伸缩系数，进而产生周期变化的磁致伸缩力叠加在洛伦兹力上。磁致伸缩力很复杂，它取决于磁畴的分布，同时也受外加稳恒磁场强度和方向的影响。虽然从理论上分析磁性导电材料中的磁致伸缩力很复杂，但这种附加力很有用，与单独由洛伦兹力产生的信号相比，这种力可大幅提高信号的强度。当强磁场使材料达到磁饱和以后，洛伦兹力成为产生声波的唯一原因。磁致伸缩力只在磁场比较弱的时候起主导作用，它比相同场强下由落伦兹力产生的声波明显要强。所以，为了充分利用磁致伸缩效应在磁性材料中激发超声波，在弱磁场强度下认真验证上述关系是非常必要的。7.3波模
7.3.1概述
在磁铁和线圈的适当组合下，电磁超声换能器可以产生纵波、横波、表面波和兰姆波。外加磁场的方向，线圈的几何形状以及电磁场的频率将决定电磁超声换能器产生超声波的模式。7.3.2纵波
图1显示了导体中施加的稳恒磁场方向和所生成的洛伦兹力方向是如何产生纵波的。要产生纵波，洛伦兹力方向和离子移动方向应垂直于导体表面。与铁磁性材料中的其他波模相比，纵波的产生效3
-iiiKAoNniKAca
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率很低。
说明：
电磁波：
导体表面。
7.3.3横波
图1电磁超声纵波的产生
图2显示了导体中施加的稳恒磁场方向和所生成的洛伦兹力方向是如何产生横波的。为了产生横波，洛伦兹力方向和离子位移方向均应平行导体表面。电磁超声换能器既能产生水平偏振的横波又能产生垂直偏振的横波，这两种偏振波的区别如图3所示。o
说明：
电磁波：
导体表面
2电磁超声横波的产生
iiiKAoNikAca
说明：
人射波；
反射波：
垂直偏振（SV）：
水平偏振（SH)（指向页内）。
7.3.4表面波
图3水平和垂直偏振横波图解
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一般情况下，表面波的产生与横波相同，施加的稳恒磁场方向应与导体表面垂直。电磁超声换能器的频率取决于回折线圈的折线间距，通过选择适当频率，可以激发出纯表面波。如果材料的厚度大于声波波长的五倍，就可以产生表面波。表面波的波长由频率和波速决定7.3.5兰姆波
各种模式的兰姆波（对称型和反对称型）可用类似于表面波的方式产生。兰姆波回折线圈的频率由所要产生的兰姆波模式和材料厚度决定。8系统配置
8.1换能器
8.1.1概迷
与传统的压电超声检测相同，电磁超声换能器的声束方向也有两种基本形式：直声束和斜声束，两种声束形式的换能器8.1.2～8.1.3所述。8.1.2直声束
电磁超声换能器产生直声束最有效的方法是采用螺旋扁平线圈，外加稳恒磁场的方向垂直于线圈平面，如图4所示。稳恒磁场可由永磁铁，电磁铁或脉冲磁铁提供。假设磁场没有平行于线圈方向的分量，就产生径向偏振的横波。由于磁场在平行线圈方向上总会存在小的梯度，所以就有小幅度的纵波。这种纵波成分可以通过电磁超声换能器的设计降低至最小程度。这种办法同样适用于放置在垂直交变磁场中的蝶形扁平线圈激发线性偏振横波情况5
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说明：
磁铁；
螺旋线圈生产径向偏振横波
8.1.3斜声束
图4扁平线圈型电磁超声换能器
电磁超声换能器回折线圈也可激发斜声束超声，外加稳恒磁场的方向垂直于线圈平面，如图5所示。回折线圈的形状见图6所示。材料表面受到的周期性应力作用与线圈尺寸有关，当满足如下条件时，这种应力就可以激发出超声波，见式（4)。na=2L
式中：
奇整数；
表面波波长，单位为米（m）；
相邻线圈间距，单位为米（m）。当线圈间距在所选体波模式传播方向的投影满足式（5)时，即可实现体波的激发。na=2Lsing
式中：
与表面法线的夹角。
·（4)
·（5)
8.1.3.3式（5)既适用于横波也适用于纵波，因此，回折线圈可用来产生斜声束横波或纵波，而声束的角度可由电磁场的频率控制。垂直偏振横波的情况见图3所示。由于纵波和横波速度不同，这两种波模都存在一个低的截止频率。选择适当的频率可以激发出纯表面波或纯横波，但不可能激发出纯纵波，因为纵波总有横波成分相伴。
说明：
回折线圈产生的SV波（垂直偏振斜声束）：2
磁铁。
回折线圈型电磁超声换能器
(2n-1)T
说明：
线宽；
线圈宽度：
线间距。
图6电磁超声换能器回折线圈几何形状8.1.4频率
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电磁超声换能器既可以设计成窄带频响也可以设计成宽带频响。当回折线圈由正弦波串冲激励时，会在中心频率20%范围内产生窄带频响，典型中心频率范围在0.1MHz～10MHz之间。而螺旋线GB/T20935.1—2018
圈由尖脉冲激励时将产生宽带频响。8.1.5提离
8.1.5.1虽然电磁超声换能器在检测材料时是非接触的，但线圈与被检材料的接近程度是影响信号强度的主要因素，见式（6）。
S(g)=Sae()
式中：
信号强度随提离间隙的变化函数；S。
零间隙时的信号强度，单位为分贝（dB)；线圈距材料表面的间隙，单位为毫米（mm）；一线圈导线间距，单位为毫米（mm）；.+.....
.........(6)
保持最小间隙来获得最强信号很重要。此外，保持间隙恒定对于信号重复性和信号分析也至关重要，这往往通过在电磁超声换能器线圈与被检工件之间加薄层材料实现，如将高电阻金属片粘在电磁超声换能器上，只要薄片厚度小于电磁趋肤深度即可。也可以用陶瓷和碳纤维增强塑料制作电磁超声换能器线圈的保护层，使在扫查时耐磨。8.2发射器和接收器
虽然一些脉冲发射器可同时兼容用在电磁超声上，但是电磁超声换能器在电特性上与传统压电换能器有明显区别。电磁超声换能器一般是电感性负载，而压电换能器是电容性负载，因此，电磁超声脉冲发射器与传统超声明显不同。在设计电磁超声换能器脉冲发射器时，另一个需要考虑的是，与传统压电装置相比较，电磁超声换能器的插人损失高达40dB甚至更高，所以前置放大器需要高增益，这样，噪声电平和饱和恢复时间在电磁超声接收器的设计中就成为重要的考虑参数。例如，在电磁超声换能器脉冲回波系统中，前置放大器应能承受加到电磁超声换能器上的峰值电压，还能足够迅速恢复以便检测缺陷信号。
数据处理器
为电磁超声换能器信号处理配置的计算机应具有足够的数据处理能力。计算机带有通用接口板和数据转换板。用来采集和存储电磁超声换能器获得的数据和诸如扫查中换能器位置坐标数据。信号也可以用传统超声方法来评价。
8.4被检材料
8.4.1由于电磁超声换能器技术是依靠电磁原理在被检材料上发射和接收声能量的，所以被检材料应是铁磁性或非铁磁性金属材料。8.4.2由于电磁超声换能器技术是非接触的，所以材料的表面粗糙度对灵敏度的影响比传统压电超声小很多，尽管这种影响不能被忽视8.4.3因为电磁超声换能器不使用耦合剂，所以它比传统压电超声易于用在高温材料的检测。8
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中华人民共和国国家标雅
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代替GB/T20935.1—2007
金属材料
电磁超声检测方法
第1部分：电磁超声换能器指南
Metal materials-Method of electromagnetic acoustic inspection-Part 1:Standard guide for electromagnetic acoustic transducers(EMATs)2018-03-15发布
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会
2018-12-01实施
GB/T20935《金属材料电磁超声检测方法》分为以下3个部分第1部分：电磁超声换能器指南；第2部分：利用电磁超声换能器技术进行超声检测的方法；第3部分：利用电磁超声换能器技术进行超声表面检测的方法。本部分为GB/T20935的第1部分
本部分按照GB/T1.1一2009给出的规则起草GB/T20935.1—2018
本部分代替GB/T20935.1一2007《金属材料电磁超声检验方法第1部分：电磁超声换能器指南》，与GB/T20935.1—2007相比主要技术内容变化如下：增加了第5章
应用条件（见第5章）；
删除了第8章
人员资格要求（见2007年版第8章）；删除了第9章
应用内容（见2007年版第9章）；增加了资料性附录A电磁超声换能器典型应用实例（见附录A）。本部分由中国钢铁工业协会提出。本部分由全国钢标准化技术委员会（SAC/TC183）归口。本部分起草单位：钢铁研究总院、钢研纳克检测技术有限公司、冶金工业信息标准研究院。本部分主要起草人：范弘、张建卫，张克、沈海红，徐磊、董莉。本部分代替标准的历次版本发布情况为：GB/T20935.1—2007。
GB/T20935.1—2018
超声技术已经充分确立了其在无损检测领域中的地位。起初，超声波的产生主要通过压电效应实现电能与机械能的转换，这是产生超声波的一种有效方法。但它的缺点是，为了使超声波能顺利地进人被检材料，需要液体做耦合介质。在使用耦合剂时，通常是将被检材料浸液体或在材料表面涂抹薄层液体。
电磁超声换能器不需要与被检材料接触就可向其中发射和接收超声波。但是，电磁超声检测的对象必须是金属材料（铁磁性或非铁磁性）。电磁超声换能器的超声发射器由金属线圈组成，将其放在金属材料（铁磁性或非铁磁性）表面的稳恒磁场中，利用交变电流来激励产生超声波。金属材料表面根据变压器原理感应出电流，电流在磁场中受洛伦慈力的作用产生振荡应力波（在铁磁性导电材料中有时磁致伸缩力和落伦兹力共同作用）。在接收超声波时，导体表面在磁场中振荡而在线圈中感应出电压。上述转换过程都是在材料的电磁趋肤层内进行的。电磁超声换能器是一种重复性很好的非接触式超声波发射和接收系统。
-iiiKAoNniKAca
1范围
金属材料电磁超声检测方法
第1部分：电磁超声换能器指南
GB/T20935.1—2018
GB/T20935的本部分给出了使用电磁超声换能器（EMATs）进行超声检测的意义和用途，应用条件、标定、原理和系统配置指南。本部分为确认电磁超声换能器在特定应用中的有效性提供基本参考。注：本部分不包含电磁超声换能器特殊应用的详细方法，不提倡未经充分试验就将电磁超声换能器用于实际检测。在附录A中简要介绍了电磁超声换能器的一些应用实例。2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件GB/T9445无损检测人员资格鉴定与认证GB/T11259无损检测超声检测用钢参考试块的制作和控制方法GB/T12604.1无损检测术语超声检测GB/T12604.6无损检测术语
涡流检测
JB/T10062
3术语和定义
超声探伤用探头性能测试方法
GB/T12604.1和GB/T12604.6界定的以及下列术语和定义适用于本文件3.1
电磁超声换能器
electromagnetic acoustic transducer;EMATs在磁场中进行电能-声能转换的电磁装置。3.2
Lorentzforces
洛伦兹力
电流在磁场中所受的力。
注：洛伦兹力垂直于磁场和电流方向，与电机的原理相同3.3
magnetostrictive forces
磁致伸缩力
铁磁性材料在磁化时，磁畴壁移动产生的力。3.4
meander coil
回折线圈bZxz.net
周期绕制的不相交且有均匀间距的电磁超声换能器线圈，3.5
扁平（螺旋）线圈
pancake(spira)coil
螺旋形绕制的具有均匀间距的电磁超声换能器线圈。1
iiKAoNhikAca
GB/T20935.1—2018
体波bulkwave
无损检测中用来探测体积材料的超声波，可以是纵波也可以是横波。4意义和用途
4.1概要
超声检测是一种广泛应用的无损检测方法，大多数超声检测使用压电晶片实现电能与声能的直接转换。本部分介绍的是一种以非接触方式在铁磁性或非铁磁性金属材料中实现电能-声能转换的技术。电磁超声换能器与压电超声探头相比有其独特性，在某些超声检测场合是一种重要的技术手段。4.2优点
因为电磁超声换能器技术是非接触式的，所以它不需要液体耦合，故而可用于动态检测，远距离或危险场所的检测、高温和表面粗糙材料的检测。由于这种技术不使用具有潜在污染或危险的化学品，所以是环保的。它对于复杂几何形状物体的扫查速度快。基于电磁超声波的产生机理，其信号具有很好的可重复性。电磁超声换能器不需要模式转换就可产生水平偏振横波（SH波）并利用SH波进行扫描检测。电磁超声换能器还具有利用电方法控制横波方向的能力。注：传统超声技术需要使用环氧树脂或高黏滞性耦合剂才能产生这种模式的波，所以传统超声技术不轻易使用SH波进行检测。
4.3局限性
电磁超声换能器效率很低。与传统超声方法相比，电磁超声换能器的插人损失高达40dB甚至更多。电磁超声技术只能用于铁磁性或非铁磁性金属材料。电磁超声换能器探头的设计比压电探头复杂。由于效率低，电磁超声换能器需要特殊装置来发射和接收信号，强发射电流、低噪声接收器以及精确阻抗匹配在系统设计中都是必须的。电磁超声换能器与压电换能器一样有其特定的应用范围。5应用条件
如果合同要求，实施本部分检测的人员应取得由相关部门按GB/T9445或等效标准鉴定的技术资格，并经雇主授权。资格鉴定依据的标准（含版本年号）应在合同中注明6标定
6.1对比试样
与传统的压电超声检测一样，电磁超声检测应制作一套能够显示被检材料预期不连续性的对比试样，用来校验灵敏度，见GB/T11259（铝参考试块的制作与检验方法可参照本标准）。6.2换能器
传统接触式压电换能器的标定方法一般都适用于电磁超声换能器，见JB/T10062，必要时可作适当修正或修改。本部分不包含专门用于电磁超声换能器的标定方法。2
iiKANiKAca
7原理
7.1非磁性导电材料
GB/T20935.1—2018
7.1.1在导电材料中产生弹性波的机理取决于材料的性质。在非磁性导电材料中，声波的产生是洛伦兹力作用在材料晶格上的结果。可以利用固体自由电子模型描述洛伦兹力的作用。根据导体自由电子理论，原子的外层价电子脱离原子晶格的束缚，剩下带正电的离子处在自由电子云中。为了在材料中产生弹性波，合成力应作用到材料晶格上。如果仅利用涡流线圈在导体中产生电磁场，则作用在材料晶格上的合力为零，这是因为作用在电子上的力和离子上的力大小相等、方向相反，见式（1）、式（2）。F电子=—qE
F离子=+qE
式中：
q——电子电荷，单位为库仑(C)；电磁超声换能器的电场强度矢量，单位为牛顿每库仑（N/C)。+...
...(1)
......(2)
7.1.2如果上述电磁场处于外加稳恒磁场中，作用到晶格上合力就会产生弹性波。此合力就是作用到电子和离子上的洛伦兹力，见式（3）。FL=qXB
式中：
电子的运动速度，单位为米每秒（m/s）；B—稳恒磁感应强度矢量，单位为特斯拉（T)（3)
7.1.3电子可以自由移动，离子被晶格束缚。由于电子具有速度，所以作用在电子上的洛伦慈力很强这种力通过碰撞作用到晶格的离子上。7.2磁性导电材料
在磁性导电材料中，磁致伸缩力和洛伦慈力同时影响离子的运动。在磁性材料中，电磁场能改变材料的磁致伸缩系数，进而产生周期变化的磁致伸缩力叠加在洛伦兹力上。磁致伸缩力很复杂，它取决于磁畴的分布，同时也受外加稳恒磁场强度和方向的影响。虽然从理论上分析磁性导电材料中的磁致伸缩力很复杂，但这种附加力很有用，与单独由洛伦兹力产生的信号相比，这种力可大幅提高信号的强度。当强磁场使材料达到磁饱和以后，洛伦兹力成为产生声波的唯一原因。磁致伸缩力只在磁场比较弱的时候起主导作用，它比相同场强下由落伦兹力产生的声波明显要强。所以，为了充分利用磁致伸缩效应在磁性材料中激发超声波，在弱磁场强度下认真验证上述关系是非常必要的。7.3波模
7.3.1概述
在磁铁和线圈的适当组合下，电磁超声换能器可以产生纵波、横波、表面波和兰姆波。外加磁场的方向，线圈的几何形状以及电磁场的频率将决定电磁超声换能器产生超声波的模式。7.3.2纵波
图1显示了导体中施加的稳恒磁场方向和所生成的洛伦兹力方向是如何产生纵波的。要产生纵波，洛伦兹力方向和离子移动方向应垂直于导体表面。与铁磁性材料中的其他波模相比，纵波的产生效3
-iiiKAoNniKAca
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率很低。
说明：
电磁波：
导体表面。
7.3.3横波
图1电磁超声纵波的产生
图2显示了导体中施加的稳恒磁场方向和所生成的洛伦兹力方向是如何产生横波的。为了产生横波，洛伦兹力方向和离子位移方向均应平行导体表面。电磁超声换能器既能产生水平偏振的横波又能产生垂直偏振的横波，这两种偏振波的区别如图3所示。o
说明：
电磁波：
导体表面
2电磁超声横波的产生
iiiKAoNikAca
说明：
人射波；
反射波：
垂直偏振（SV）：
水平偏振（SH)（指向页内）。
7.3.4表面波
图3水平和垂直偏振横波图解
GB/T20935.1—2018
一般情况下，表面波的产生与横波相同，施加的稳恒磁场方向应与导体表面垂直。电磁超声换能器的频率取决于回折线圈的折线间距，通过选择适当频率，可以激发出纯表面波。如果材料的厚度大于声波波长的五倍，就可以产生表面波。表面波的波长由频率和波速决定7.3.5兰姆波
各种模式的兰姆波（对称型和反对称型）可用类似于表面波的方式产生。兰姆波回折线圈的频率由所要产生的兰姆波模式和材料厚度决定。8系统配置
8.1换能器
8.1.1概迷
与传统的压电超声检测相同，电磁超声换能器的声束方向也有两种基本形式：直声束和斜声束，两种声束形式的换能器8.1.2～8.1.3所述。8.1.2直声束
电磁超声换能器产生直声束最有效的方法是采用螺旋扁平线圈，外加稳恒磁场的方向垂直于线圈平面，如图4所示。稳恒磁场可由永磁铁，电磁铁或脉冲磁铁提供。假设磁场没有平行于线圈方向的分量，就产生径向偏振的横波。由于磁场在平行线圈方向上总会存在小的梯度，所以就有小幅度的纵波。这种纵波成分可以通过电磁超声换能器的设计降低至最小程度。这种办法同样适用于放置在垂直交变磁场中的蝶形扁平线圈激发线性偏振横波情况5
GB/T20935.1—2018
说明：
磁铁；
螺旋线圈生产径向偏振横波
8.1.3斜声束
图4扁平线圈型电磁超声换能器
电磁超声换能器回折线圈也可激发斜声束超声，外加稳恒磁场的方向垂直于线圈平面，如图5所示。回折线圈的形状见图6所示。材料表面受到的周期性应力作用与线圈尺寸有关，当满足如下条件时，这种应力就可以激发出超声波，见式（4)。na=2L
式中：
奇整数；
表面波波长，单位为米（m）；
相邻线圈间距，单位为米（m）。当线圈间距在所选体波模式传播方向的投影满足式（5)时，即可实现体波的激发。na=2Lsing
式中：
与表面法线的夹角。
·（4)
·（5)
8.1.3.3式（5)既适用于横波也适用于纵波，因此，回折线圈可用来产生斜声束横波或纵波，而声束的角度可由电磁场的频率控制。垂直偏振横波的情况见图3所示。由于纵波和横波速度不同，这两种波模都存在一个低的截止频率。选择适当的频率可以激发出纯表面波或纯横波，但不可能激发出纯纵波，因为纵波总有横波成分相伴。
说明：
回折线圈产生的SV波（垂直偏振斜声束）：2
磁铁。
回折线圈型电磁超声换能器
(2n-1)T
说明：
线宽；
线圈宽度：
线间距。
图6电磁超声换能器回折线圈几何形状8.1.4频率
GB/T20935.1—2018
电磁超声换能器既可以设计成窄带频响也可以设计成宽带频响。当回折线圈由正弦波串冲激励时，会在中心频率20%范围内产生窄带频响，典型中心频率范围在0.1MHz～10MHz之间。而螺旋线GB/T20935.1—2018
圈由尖脉冲激励时将产生宽带频响。8.1.5提离
8.1.5.1虽然电磁超声换能器在检测材料时是非接触的，但线圈与被检材料的接近程度是影响信号强度的主要因素，见式（6）。
S(g)=Sae()
式中：
信号强度随提离间隙的变化函数；S。
零间隙时的信号强度，单位为分贝（dB)；线圈距材料表面的间隙，单位为毫米（mm）；一线圈导线间距，单位为毫米（mm）；.+.....
.........(6)
保持最小间隙来获得最强信号很重要。此外，保持间隙恒定对于信号重复性和信号分析也至关重要，这往往通过在电磁超声换能器线圈与被检工件之间加薄层材料实现，如将高电阻金属片粘在电磁超声换能器上，只要薄片厚度小于电磁趋肤深度即可。也可以用陶瓷和碳纤维增强塑料制作电磁超声换能器线圈的保护层，使在扫查时耐磨。8.2发射器和接收器
虽然一些脉冲发射器可同时兼容用在电磁超声上，但是电磁超声换能器在电特性上与传统压电换能器有明显区别。电磁超声换能器一般是电感性负载，而压电换能器是电容性负载，因此，电磁超声脉冲发射器与传统超声明显不同。在设计电磁超声换能器脉冲发射器时，另一个需要考虑的是，与传统压电装置相比较，电磁超声换能器的插人损失高达40dB甚至更高，所以前置放大器需要高增益，这样，噪声电平和饱和恢复时间在电磁超声接收器的设计中就成为重要的考虑参数。例如，在电磁超声换能器脉冲回波系统中，前置放大器应能承受加到电磁超声换能器上的峰值电压，还能足够迅速恢复以便检测缺陷信号。
数据处理器
为电磁超声换能器信号处理配置的计算机应具有足够的数据处理能力。计算机带有通用接口板和数据转换板。用来采集和存储电磁超声换能器获得的数据和诸如扫查中换能器位置坐标数据。信号也可以用传统超声方法来评价。
8.4被检材料
8.4.1由于电磁超声换能器技术是依靠电磁原理在被检材料上发射和接收声能量的，所以被检材料应是铁磁性或非铁磁性金属材料。8.4.2由于电磁超声换能器技术是非接触的，所以材料的表面粗糙度对灵敏度的影响比传统压电超声小很多，尽管这种影响不能被忽视8.4.3因为电磁超声换能器不使用耦合剂，所以它比传统压电超声易于用在高温材料的检测。8
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