Электромагнитный акустический преобразователь
Ультразвуковой преобразователь ЭМАП (УЗП) показан с обычным пьезоэлектрическим УЗП.

Электромагнитный акустический преобразователь ( ЭМАП ) — это преобразователь для бесконтактной генерации и приема акустических волн в проводящих материалах. Его действие основано на электромагнитных механизмах, которым не требуется прямая связь с поверхностью материала. Благодаря этой особенности без контактной жидкости ЭМАП особенно полезны в суровых, то есть горячих, холодных, чистых или сухих средах. ЭМАП подходят для генерации всех видов волн в металлических и/или магнитострикционных материалах. В зависимости от конструкции и ориентации катушек и магнитов могут возбуждаться сдвиговые горизонтальные (SH) объемные волны (нормальный пучок или наклонный пучок), поверхностные волны, пластинчатые волны, такие как SH и волны Лэмба , а также всевозможные другие объемные и направленные волны. [1] [2] [3] После десятилетий исследований и разработок ЭМАП нашел свое применение во многих отраслях промышленности, таких как производство и обработка первичного металла, автомобилестроение, железнодорожная, трубопроводная, котельная и сосудистая промышленность под давлением , [3] где они обычно используются для неразрушающего контроля (НК) металлических конструкций.

Основные компоненты

В преобразователе ЭМАП есть два основных компонента. Один из них — магнит, а другой — электрическая катушка. Магнит может быть постоянным магнитом или электромагнитом , который создает статическое или квазистатическое магнитное поле. В терминологии ЭМАП это поле называется магнитным полем смещения. Электрическая катушка приводится в действие электрическим сигналом переменного тока (AC) на ультразвуковой частоте, обычно в диапазоне от 20 кГц до 10 МГц. В зависимости от потребностей приложения сигнал может быть непрерывной волной, пиковым импульсом или тональным сигналом. Электрическая катушка с переменным током также создает переменное магнитное поле. Когда испытуемый материал находится близко к ЭМАП, в испытуемом материале генерируются ультразвуковые волны посредством взаимодействия двух магнитных полей.

Механизм трансдукции

Существует два механизма генерации волн посредством взаимодействия магнитного поля. Один из них — сила Лоренца , когда материал является проводящим. Другой — магнитострикция, когда материал является ферромагнитным.

сила Лоренца

Переменный ток в электрической катушке создает вихревой ток на поверхности материала. Согласно теории электромагнитной индукции, распределение вихревого тока происходит только в очень тонком слое материала, называемом глубиной скин-слоя. Эта глубина уменьшается с увеличением частоты переменного тока, проводимости материала и проницаемости. Обычно для возбуждения переменного тока частотой 1 МГц глубина скин-слоя составляет всего лишь долю миллиметра для первичных металлов, таких как сталь, медь и алюминий. Вихревой ток в магнитном поле испытывает силу Лоренца . В микроскопическом представлении сила Лоренца прикладывается к электронам в вихревом токе. В макроскопическом представлении сила Лоренца прикладывается к поверхностной области материала из-за взаимодействия между электронами и атомами. Распределение силы Лоренца в первую очередь контролируется конструкцией магнита и конструкцией электрической катушки и зависит от свойств испытуемого материала, относительного положения между преобразователем и испытуемой частью и сигнала возбуждения для преобразователя. Пространственное распределение силы Лоренца определяет точную природу упругих возмущений и то, как они распространяются от источника. Большинство успешных приложений EMAT основаны на механизме силы Лоренца. [4]

Магнитострикция

Ферромагнитный материал будет иметь размерное изменение при приложении внешнего магнитного поля. Этот эффект называется магнитострикцией . Поле потока магнита расширяется или сжимается в зависимости от расположения ферромагнитного материала, имеющего индуцирующее напряжение в катушке, а величина изменения зависит от величины и направления поля. [5] Переменный ток в электрической катушке индуцирует переменное магнитное поле и, таким образом, создает магнитострикцию на ультразвуковой частоте в материале. Возмущения, вызванные магнитострикцией, затем распространяются в материале в виде ультразвуковой волны.

В поликристаллическом материале реакция магнитострикции очень сложна. На нее влияет направление поля смещения, направление поля от электрической катушки переменного тока, сила поля смещения и амплитуда переменного тока. В некоторых случаях может наблюдаться один или два пиковых отклика при увеличении поля смещения. В некоторых случаях отклик может быть значительно улучшен при изменении относительного направления между магнитным полем смещения и магнитным полем переменного тока. Количественно магнитострикцию можно описать в аналогичном математическом формате как пьезоэлектрические константы. [5] Эмпирически для полного понимания явления магнитострикции требуется большой опыт.

Эффект магнитострикции использовался для генерации волн SH-типа и волн типа Лэмба в стальных изделиях. В последнее время, из-за более сильного эффекта магнитострикции в никеле, чем в стали, были разработаны датчики магнитострикции с использованием никелевых накладок для неразрушающего контроля стальных изделий.

Сравнение с пьезоэлектрическими преобразователями

Как метод ультразвукового контроля (UT), EMAT обладает всеми преимуществами UT по сравнению с другими методами неразрушающего контроля. Как и пьезоэлектрические зонды UT, зонды EMAT могут использоваться в конфигурациях импульс-эхо, шаг-захват и сквозной передачи. Зонды EMAT также могут быть собраны в фазированные решетчатые зонды, обеспечивая возможности фокусировки и управления лучом. [6]

Преимущества

По сравнению с пьезоэлектрическими преобразователями ЭМАП-зонды имеют следующие преимущества:

  1. Контактная жидкость не требуется. На основе механизма преобразования ЭМАП контактная жидкость не требуется. Это делает ЭМАП идеальным для инспекций при температурах ниже точки замерзания и выше точки испарения жидких контактных жидкостей. Это также делает его удобным для ситуаций, когда обращение с контактной жидкостью было бы непрактичным.
  2. ЭМАП — бесконтактный метод. Хотя близость предпочтительна, физический контакт между преобразователем и испытуемым образцом не требуется.
  3. Сухая инспекция. Поскольку контактная жидкость не требуется, инспекцию EMAT можно проводить в сухой среде.
  4. Менее чувствителен к состоянию поверхности. При использовании контактных пьезоэлектрических преобразователей испытательная поверхность должна быть гладко обработана для обеспечения связи. При использовании ЭМАП требования к гладкости поверхности менее строгие; единственное требование — удалить рыхлую окалину и т. п.
  5. Проще для развертывания датчика. При использовании пьезоэлектрического преобразователя угол распространения волны в тестовой части зависит от закона Снеллиуса . В результате небольшое изменение в развертывании датчика может вызвать значительное изменение преломленного угла.
  6. Проще генерировать волны типа SH. При использовании пьезоэлектрических преобразователей волна SH трудно связывается с испытываемой деталью. ЭМАП обеспечивает удобные средства генерации объемной волны SH и направленных волн SH.

Проблемы и недостатки

Недостатки ЭМАП по сравнению с пьезоэлектрическим УЗ можно обобщить следующим образом:

  1. Низкая эффективность преобразования. Преобразователи EMAT обычно выдают сырой сигнал меньшей мощности, чем пьезоэлектрические преобразователи. В результате для изоляции сигнала от шума требуются более сложные методы обработки сигнала.
  2. Ограничено металлическими или магнитными изделиями. Неразрушающий контроль пластиковых и керамических материалов не подходит или, по крайней мере, неудобен с использованием ЭМАП.
  3. Ограничения по размеру. Хотя существуют преобразователи ЭМАП размером с пенни, обычно используемые преобразователи имеют большой размер. Низкопрофильные проблемы ЭМАП все еще находятся на стадии исследований и разработок. Из-за ограничений по размеру фазированную решетку ЭМАП также сложно изготовить из очень маленьких элементов.
  4. Необходимо соблюдать осторожность при обращении с магнитами вблизи стальных изделий.

Приложения

EMAT использовался в широком спектре приложений и имеет потенциал для использования во многих других. Ниже приведен краткий и неполный список.

  1. Измерение толщины для различных применений [7]
  2. Дефектоскопия стальных изделий
  3. Проверка дефектов расслоения пластин
  4. Обнаружение расслоения связной структуры [8] [9]
  5. Лазерный контроль сварных швов автомобильных компонентов
  6. Проверка сварных швов для соединений катушек, труб и труб [10]
  7. Эксплуатационный осмотр трубопровода [11] [12]
  8. Инспекция железнодорожных рельс и колес
  9. Контроль аустенитных сварных швов для энергетической промышленности [6]
  10. Характеристика материала [13] [14]

В дополнение к вышеупомянутым приложениям, которые попадают в категорию неразрушающего контроля , ЭМАП использовались в исследованиях для ультразвуковой связи, где они генерируют и принимают акустический сигнал в металлической конструкции. [15] Ультразвуковая связь особенно полезна в областях, где радиочастота не может быть использована. Это включает в себя подводные и подземные среды, а также герметичные среды, например, связь с датчиком внутри резервуара под давлением.

Использование ЭМАП также изучается для биомедицинских приложений, [16] в частности для электромагнитной акустической визуализации. [17] [18]

Ссылки

  1. ^ Р. Б. Томпсон, Физические принципы измерений с помощью преобразователей ЭМАП, Ультразвуковые методы измерений, Физическая акустика, том XIX, под редакцией Р. Н. Терстона и Аллана Д. Пирса, Academic Press, 1990
  2. ^ Б. В. Максфилд, А. Курамото и Дж. К. Халберт, Оценка конструкций ЭМАП для отдельных приложений, Mater. Eval. , том 45, 1987, стр. 1166
  3. ^ ab Innerspec Technologies
  4. ^ BW Maxfield и Z. Wang, 2018, Электромагнитные акустические преобразователи для неразрушающей оценки, в ASM Handbook, том 17: Неразрушающая оценка материалов , под ред. A. Ahmad и LJ Bond, ASM International, Materials Park, OH, стр. 214–237.
  5. ^ Масахико Хирао и Хироцугу Оги, EMATS для науки и промышленности, Kluwer Academic Publishers, 2003
  6. ^ ab Gao, H. и B. Lopez, «Разработка одноканальных и фазированных ЭМАП для контроля аустенитных сварных швов», Materials Evaluation (ME), том 68(7), 821-827,(2010).
  7. ^ М. Гори, С. Джамбони, Э. Д'Алессио, С. Гиа и Ф. Чернуски, «Преобразователи ЭМАП и определение толщины старых котельных труб», Ultrasonics 34 (1996) 339-342.
  8. ^ S Dixon, C Edwards и SB Palmer, «Анализ адгезионных связей с использованием электромагнитных акустических преобразователей», Ultrasonics Vol. 32 No. 6, 1994.
  9. ^ Х. Гао, С. М. Али и Б. Лопес, «Эффективное обнаружение расслоения в многослойных структурах с использованием ультразвуковых волновых ЭМАП» в NDT&E International, том 43, июнь 2010 г., стр. 316-322.
  10. ^ Х. Гао, Б. Лопес, С. М. Али, Дж. Флора и Дж. Монкс (Innerspec Technologies), «Встроенное тестирование труб ERW с использованием ультразвуковых волноводных ЭМАП» на 16-м Национальном конгрессе США по теоретической и прикладной механике (USNCTAM2010-384), Государственный колледж, Пенсильвания, США, 27 июня - 2 июля 2010 г.
  11. ^ M Hirao и H Ogi, «Метод SH-волнового ЭМАП для инспекции газопроводов», NDT&E International 32 (1999) 127-132
  12. ^ Стефан Сэнсон, «Инспекция трубопроводов: принципы и методы», Эд. Лавуазье 2007'
  13. ^ Х. Оги, Х. Ледбеттер, С. Ким и М. Хирао, «Бесконтактная модово-селективная резонансная ультразвуковая спектроскопия: электромагнитный акустический резонанс», Журнал ASA, т. 106, стр. 660-665, 1999.
  14. ^ MP da Cunha и JW Jordan, «Улучшенный продольный ЭМАП-преобразователь для извлечения упругой постоянной», в Proc. IEEE Inter. Freq. Contr. Symp, 2005, стр. 426-432.
  15. ^ X. Хуан, J. Сание, S. Бахтиари и A. Хейфец, «Проектирование ультразвуковой системы связи с использованием электромагнитного акустического преобразователя», в 2018 IEEE International Ultrasonics Symposium (IUS), 2018, стр. 1–4.
  16. ^ Лю С., Чжан Р., Чжэн З., Чжэн И. (2018). «Электромагнитно-акустическое зондирование для биомедицинских применений». Датчики . 18 (10): 3203. Bibcode : 2018Senso..18.3203L. doi : 10.3390/s18103203 . PMC  6210000. PMID  30248969 .{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  17. ^ Эмерсон Дж. Ф., Чанг Д. Б., Макнотон С., Эмерсон Э. М., Сервин С. А. (2021). «Методы электромагнитной акустической визуализации: разрешение, отношение сигнал/шум и контрастность изображения в фантомах». J Med Imaging (Беллингхэм) . 8 (6): 067001. doi :10.1117/1.JMI.8.6.067001. PMC 8685282. PMID  34950749 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  18. ^ Boonsang S, Richard J. Dewhurst (март 2014 г.). Высокочувствительная система лазерной ЭМА-визуализации для биомедицинских приложений . Международный конгресс по электротехнике 2014 г. (iEECON). doi :10.1109/iEECON.2014.6925962.

Кодексы и стандарты

  • ASTM E1774-96 Стандартное руководство для электромагнитных акустических преобразователей (ЭМАП)
  • ASTM E1816-96 Стандартная практика ультразвуковых исследований с использованием технологии электромагнитного акустического преобразователя (ЭМАП)
  • ASTM E1962-98 Стандартные методы испытаний для ультразвукового контроля поверхности с использованием технологии электромагнитного акустического преобразователя (ЭМАП)
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Electromagnetic_acoustic_transducer&oldid=1227167406"