沈显庆， 杨 莹， 马志鹏， 王 贺， 张 恒

(黑龙江科技大学 电气与控制工程学院， 哈尔滨 150022)

0 引 言

电磁超声换能器(EMAT)是以电磁耦合方式在试件中直接产生超声波，管道中可以传导沿管道平行方向的轴向导波和沿管道圆周表面传播的周向导波，周向导波按照导波类型又分为周向SH波和周向Lamb波两种[1-2]。King等[3]在研究铝管振动波时证实管道中存在周向Lamb波。Qu等[4]指出了Lamb波的频散特性与频散曲线。Chen等[5]使用周向Lamb波检测了管道中的缺陷。康磊等[6]通过改变磁铁和线圈分布,优化了EMAT的性能。刘素贞等[7]仿真分析了周向Lamb波的响应特性，以及缺陷形状和深度对回波的影响。传统电磁超声换能器发射方向多，使对称结构下的管道缺陷处两端同时发生反射，从而缺陷处回波信号复杂且不能保证缺陷与采集到的回波信号一一对应的问题[8-11]。针对上述问题，笔者在建立单方向EMAT的有限元模型，仿真周向 Lamb 波传播过程，研究单一缺陷下缺陷的位置在EMAT作用下的反射回波，以期给出基于EMAT周向Lamb波单方向的管道缺陷检测方法。

1 EMAT的设计与模型

1.1 双线圈组激励的EMAT

文中设计的EMAT在传统的回折线圈的基础上添加了一组辅助线圈，双线圈组激励的EMAT如图1所示。

图1 双线圈组激励EMATFig. 1 Double coil group excitation EMAT

由图1可见，在传统的回折形线圈的基础上，线圈添加了一组与其相同且平行于其辅助线圈，组成了单向Lamb波EMAT。其中，线圈组1为辅助线圈，线圈组2为主线圈永磁体在线圈附近提供水平磁场，A、B为线圈下的两个质点。假设超声波的波长为λ，则单一的回折线圈的回折间距为d=λ/2，其与相邻的辅助线圈之间的间距为d/2=λ/4。……