摘 要: 研究水平剪切波( Shear H o rizontal, 简称SH 波) 的传播特性及激励接收方法对该波在无损检测和声弹性技术范围内的工程应用有着重要的价值。首先, SH 波在弹性层中传播的多模态、频散特性在文中作了详细的分析, 同时重点研究了电磁超声技术在非铁磁性材料波导中产生SH 波的探头结构和基础理论, 并以试验的方法验证了其部分电声特性, 结果表明, SH板波具有其他类型波所没有的独特特性, 而电磁超声技术在SH 波的激励接收方面有着很大的优势。

　　关键词: 电磁超声; SH 板波; 磁致伸缩; 洛伦兹力

　　由任何SH( Shear Ho rizontal) 模态引起的质点振动( 位移和速度) 都在位于平行于层面的平面中,因此也可以认为是沿平行于层面方向偏振的体剪切波上下反射叠加的结果。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。其传输系数也远远高于其他波型。其次, SH 波还包括对焊点结构影响不敏感、与入射角无关的完全角反射及在奥氏体材料中声束扭曲、改变小等优点, 这些较为简单的物理性质都为在恶劣环境下无损检测奥氏体材料或其他不同类型焊缝开辟了新的可能性。

　　超声波在弹性半空间中或波导中的波动形态是截然不同的。对于无限均匀的弹性层状介质来说,由于上下表面的波导影响, SH 波在两表面间来回反射, 在满足相位匹配条件下, 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, 形成SH 板波。研究SH 板波的声学特性和激励方法对于扩展其在超声无损检测或材料应力测量等领域的应用是十分重要的。

　　SH 板波可以用常规压电换能器来激励, 但是实际中需要借助于钢质斜楔或高强度耦合, 具有相当大的实现难度, 而采用非接触的电磁超声换能器则可以很好的解决SH 波的激励和接收问题, 本文通过对SH 波在弹性层中的特性分析, 研究了利用电磁超声方法激励SH 板波的结构和特点, 以及模式选择的方法, 对SH 波应用于无损检测、材料特性、应力测量等领域具有广泛的指导意义。

　　1 弹性层中SH 板波的声学特性

　　控制SH 模态的频散方程可用直接求解运动位移方程的方法得到。对于各向同性介质, 质点的位移场u 需满足N av ier 的运动位移方程[ 1] :

　　可以看出SH0 模态的场分布是均匀的, 而SH1或更高阶模态的场分布呈现出正弦变化。由频散方程推导, 可进一步得出由整数n 确定的任意模态SH 波的相速度与群速度:

　　图2 给出了铝板中相速度的频散曲线, 当n=0, 相应于零阶对称模态, 有Ts = Tp , 为非频散波。而其他所有n X0 的模态都是频散波。而且对任一给定的n, 当f d 趋于无穷大时, SH 模态的群速度将趋近于体剪切波速度Ts ; 而当f d 趋于截止频率时,群速度趋于零。

　　2 非铁磁材料SH 板波的电磁超声激励

　　电磁超声在材料中产生弹性波的机理依赖于材料的性质, 在非铁磁性导电材料中, 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Lorent z 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, 理论分析非常复杂[ 3] 。因此电磁超声在铁磁性或非铁磁性材料中激励SH 板波的机理和探头结构是截然不同的, 本文中是以非铁磁性导电材料为研究对象, 分析了周期永磁阵列电磁超声换能器的结构及激发理论, 为SH 板波的研究应用提供了参考。

　　2. 1 结构设计

　　在非铁磁导电材料中, Lorent z 力是超声波产生的唯一集中力源, SH 波的产生一般在此采用了周期永磁阵列式的电磁超声换能结构, 如图3 所示。

　　以M 个周期排列的反向极性永磁单元作为垂直磁场以产生周期性的集中力, 永磁单元多采用高磁能积的稀土材料, 宽度为w 的导线将其围绕起来并通以高频交变电流, 为减小涡流损耗, 磁单元间以环氧树脂或塑胶作厚度为S 的隔离层, 磁周期为:

　　其中L 为磁单元的长度, 而磁周期的大小同时也决定了所激发SH 板波的波长。

　　2. 2 理论概述

　　周期永磁阵列电磁超声换能器的激励机理关键在于若干对耦合磁单元的共同作用, 这里将集中线源在材料表面的激励可分解为若干点源的叠加, 理论分析坐标如图4 所示[ 4] 。

　　2. 3 特性分析

　　磁单元与材料表面间的提离距离g 对磁场强度的影响关系是

　　由F1= u0 Jw x H0 可知, 在非铁磁性材料中SH波的换能效率是与交变涡流密度和准静磁场强度的大小有关, 在磁性材料基本不能提供更高磁强的情况下, 增大发射电流是获得更高SH 板波信号强度的唯一方法。

　　3 试验研究与结果分析

　　3. 1 试验研究

　　为了试验电磁超声产生SH 板波的有效性, 作者在实验室中搭建的检测平台, 如图6 所示, 以厚度2 mm, 450 mm x 450 mm 的铝制板作为研究对象,探头采用了8 片钕铁硼永磁材料, 平面尺寸为2mm x 20 mm, 厚度3 mm; 环绕线圈总长15 mm, 采用直径为1 mm 的铜线绕制而成; 采用任意信号发生器产生以中心频率为0. 75 mH z, 经汉宁窗调制的6 脉冲正弦信号, 通过功率放大器放大后作为激励信号。电磁超声激发的导波信号是双向传播的,为简化信号分析, 因此将探头靠近一侧带有人工夹层缺陷的平板边沿, 从示波器中观察接收到的SH波信号。

　　3. 2 信号分析

　　试验中采集到的信号如图7 所示, W 表示从平板中人工夹层缺陷反射得到的回波信号; C 表示平板边界的回波; 从图中的频率分布, 可以看出回波信号主要集中在750 kHz 附近; 为研究探头提离距离变化对信号幅度的影响关系, 试验中采用了打印纸作为隔离层, 从图8 中的信号幅度变化可知, 探头与被测工件之间的提离距离变化对声波的激发效率是影响巨大的, 而这也是电磁超声技术的主要特征。

　　4 结 论

　　( 1) 信号幅度随探头提离距离的改变而变化, 提离越高, 则信号幅度越弱, 反之信号幅度越强;

　　( 2) 从板边界对信号的多次反射可知, SH 板波可沿板的结构传播相当远的距离, 信号衰减较弱;

　　( 4) 相比Lamb 波, SH 板波的频散影响相对较小, 同时很少发生模式转换。

　　( 3) SH 板波对板表面或板中间的缺陷均有一定的检测能力, 可以判定在层厚范围内均有应力波存在, 适合工业板材的快速、整体积检测。

　　参考文献:

　　[ 1] J. L. Rose. 著, 何存富等译. 固体中的超声波[ M] . 科学出版社, 2004 年.

　　[ 2] Auld B A. Aco ustic fields and w aves in so lid[ M ] .Volume 2. 1973.

　　[ 3] Riichi Muray ama. Study of dr iv ing mechaNIsm onelectr omag netic acoust ic t ransducer for Lamb wav eusing magnetostr ictive effect and application indraw ability evaluat ion of t hin steel sheets [ J ] .Ultrasonics, 1999, 37: 31- 38.

　　[ 4] Vasile C F, T hompso n R B. Ex citatio n of Ho rizontallypo lar ized shear elastic wav es by elect romag net ictransducers w ith per io dic permanent mag nets [ J] . JAppl Phy s, April 1979, 50( 4) .

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