電磁聲換能器

電磁聲換能器（electromagnetic acoustic transducer，EMAT）是一種用於在導電材料中非接觸式產生和接收聲波的換能器。其作用基於電磁機制，無需與材料表面直接耦合，在高溫、低溫、潔淨或乾燥等惡劣環境中尤為有用。EMAT適用於在金屬和/或磁致伸縮材料中產生各種波。根據線圈與磁體的設計和取向，可激發剪切水平（SH）體波模式（垂直入射或斜入射）、表面波、板波（如 SH 波和 Lamb 波）以及各類其他體波和導波模式。^[1][2][3]經過數十年的研究與開發，EMAT已在初級金屬製造與加工、汽車、鐵路、管線、鍋爐和壓力容器^[3]等行業找到應用，常用於金屬結構的無損檢測（NDT）。

與傳統壓電超聲換能器並列顯示的電磁聲換能器（EMAT）超聲換能器（UT）

基本組件

EMAT換能器有兩個基本組件。磁體與電線圈。磁體可為永磁體或電磁鐵，產生靜態或准靜態磁場。在EMAT術語中，該磁場稱為偏置磁場。電線圈以交流電（AC）電信號驅動，頻率為超聲波範圍，通常為20 kHz至10 MHz。根據應用需要，信號可以是連續波、尖脈衝或tone-burst信號。帶交流電流的電線圈同時產生交流磁場。當被檢材料靠近EMAT時，通過兩個磁場的相互作用在被檢材料中產生超聲波。

換能機制

通過磁場相互作用產生波有兩種機制。一種是在材料為導電時的洛倫茲力機制。另一種是在材料為鐵磁性時的磁致伸縮機制。

洛倫茲力

電線圈中的交流電在材料表面產生渦流。根據電磁感應理論，渦流的分布僅在材料的非常薄的表層，稱為趨膚深度（skin depth）。該深度隨交流頻率、材料電導率與磁導率的增大而減小。通常對於1 MHz的交流激勵，鋼、銅和鋁等常見金屬的表皮深度僅為毫米的分數。渦流在磁場中受到洛倫茲力的作用。從微觀角度看，洛倫茲力施加在渦流中的電子上；從宏觀角度看，由於電子與原子的相互作用，洛倫茲力作用在材料的表面區域。洛倫茲力的分布主要由磁體與電線圈的設計控制，並受被測材料性質、換能器與被測件之間的相對位置以及換能器激勵信號的影響。洛倫茲力的空間分布決定了彈性擾動的精確形式以及它們如何從聲源傳播。大多數成功的EMAT應用基於洛倫茲力機制。^[4]

磁致伸縮

當外加磁場施加到鐵磁材料時，該材料會發生尺寸變化，此效應稱為磁致伸縮。磁體的磁通場會根據鐵磁材料的排列而展開或收縮，從而在線圈中感應電壓，變化量受磁場大小和方向的影響。^[5]電線圈中的交流電流感應出交流磁場，從而在材料中產生超聲頻率的磁致伸縮。由磁致伸縮引起的擾動隨後作為超聲波在材料中傳播。

在多晶材料中，磁致伸縮響應非常複雜。它受偏置磁場方向、交流電線圈磁場方向、偏置磁場強度以及交流電流振幅的影響。在某些情況下，隨着偏置磁場的增加可觀察到一或兩個響應峰。在某些情況下，改變偏置磁場與交流磁場之間的相對方向能顯著改善響應。從定量上，磁致伸縮可用類似於壓電常數的數學形式來描述。^[5]經驗上，需要大量經驗來充分理解磁致伸縮現象。

磁致伸縮效應已被用於在鋼材產品中產生SH型和拉姆型波。近年來，由於鎳的磁致伸縮效應比鋼強，使用鎳片的磁致伸縮傳感器已被開發用於鋼材產品的無損檢測。

與壓電換能器的比較

作為一種超聲檢測（UT）方法，EMAT繼承了超聲相對於其他NDT方法的所有優點。與壓電超聲探頭一樣，EMAT探頭可用於脈衝回波、發射-接收（pitch-catch）和透射配置。EMAT探頭也可組裝成相控陣探頭，提供聚焦與波束偏轉能力。^[6]

優勢

與壓電換能器相比，EMAT探頭具有以下優點：

1. 無需耦合劑。基於EMAT的換能機制，不需要耦合劑。這使得EMAT非常適合在低於耦合液體冰點和高於耦合液體蒸發點的溫度下進行檢測。它也方便於耦合劑處理不便的情況。
2. EMAT是非接觸方法。儘管接近被測件更好，但換能器與被測件之間不要求物理接觸。
3. 乾式檢測。由於不需要耦合劑，EMAT檢測可在乾燥環境中進行。
4. 對表面狀況不太敏感。對於基於接觸的壓電換能器，測試表面必須機械加工光潔以確保耦合。使用EMAT時，對表面光潔度的要求較低；唯一的要求是去除鬆散的氧化皮或類似物。
5. 傳感器部署更容易。使用壓電換能器時，測試部件中的波傳播角受斯涅爾定律影響。因此，傳感器部署的微小變化可能導致折射角的顯著改變。
6. 更容易生成SH型波。使用壓電換能器時，向被測件耦合SH波較為困難。EMAT提供了一種便捷的手段來生成SH體波和SH導波。

挑戰與劣勢

與壓電超聲相比，EMAT的缺點可歸納如下：

1. 換能效率低。EMAT換能器產生的原始信號通常比壓電換能器的功率低。因此需要更複雜的信號處理技術以從噪聲中分離信號。
2. 限於金屬或磁性產品。對塑料和陶瓷材料的NDT使用EMAT不適合或至少不方便。
3. 尺寸限制。儘管已有與一分錢大小相當的小型EMAT，但常用換能器尺寸較大。低外形EMAT問題仍在研發中。由於尺寸限制，EMAT相控陣也難以由非常小的單元構成。
4. 在鋼製品周圍操作磁體時須謹慎。

應用

EMAT已被用於廣泛的應用，並具有在更多領域中使用的潛力，如：

1. 各種應用的厚度測量。^[7]
2. 鋼材產品中的缺陷檢測
3. 板材分層缺陷檢驗
4. 粘結結構層合檢測^[8][9]
5. 汽車零部件的激光焊縫檢測
6. 卷材接頭、管子和管道的焊縫檢測^[10]
7. 在役管線檢測^[11][12]
8. 鐵路鋼軌與車輪檢測
9. 電力行業的奧氏體焊縫檢測^[6]
10. 材料表徵^[13][14]

除上述屬於無損檢測範疇的應用外，EMAT還被用於超聲通信的研究領域，在該領域中它們在金屬結構中產生並接收聲學信號。^[15]在無法使用射頻的場合，超聲通信尤為有用。這包括水下與地下環境以及封閉環境，例如與壓力罐內部傳感器的通信。

EMAT 在生物醫學應用中的研究也在進行中，特別是用於電磁聲成像。^[16][17][18]