本书系统论述了电磁超声导波的基本理论及其实现技术，主要内容包括导波的频散特性和匹配理论、电磁超声的产生机理和理论模型、导波与缺陷作用机理及其仿真、电磁超声导波全过程仿真方法、电磁超声测厚、管道轴向导波检测和天然气管道裂纹电磁超声导波检测等。全书共分7章，第1章介绍电磁超声换能器，第2、3章论述电磁超声换能器分析方法，第4~6章论述超声导波传播特性及仿真方法，第7章介绍电磁超声导波几种典型应用系统的实现方法。

本书内容是作者八年来理论和应用研究成果的总结，可供无损检测相关技术和工程人员参考，也可作为无损检测人员的资格培训和高等院校相关专业的参考教材，书中电磁超声导波应用系统的具体实现对其他无损检测开发人员也具有借鉴意义。

电磁超声具有非接触、无须耦合、易于产生水平切变波等优点，20世纪70年代开始在国外兴起，21世纪开始在中国成为研究热点。超声导波检测因具有检测速度快和内外表面缺陷具有相同检测灵敏度等优点而受到广泛关注。将电磁超声和导波技术相结合可以解决很多特殊工况条件下的检测问题，比如天然气管道应力腐蚀裂纹的管道内在线检测。但是，电磁超声导波涉及电磁场、力场和超声波动之间的多场耦合和转化，难以定量研究；超声导波具有众多波模式和频散特性，在遇到缺陷时还会发生导波模式转化使得检测信号更加复杂，因此，将电磁超声和超声导波结合起来应用，难度较大。在近几年，在国内相关单位的共同努力下，电磁超声导波理论与应用方面取得了长足发展，缩小了与发达国家的差距，甚至在有些方面取得了领先世界的成果。

本书介绍电磁超声导波检测理论及其实现技术，主要包括电磁超声换能机理及其设计方法、基于洛伦兹力和磁致伸缩机理的电磁超声计算及其仿真方法、超声导波的传播特性、导波与缺陷的作用机制及缺陷量化方法和电磁超声导波检测应用等几个方面内容。

本书的内容是作者近八年来在电磁超声导波方面不断研究和实践应用的总结，书中大部分内容来源于作者指导的博士和硕士研究生的学位论文，这些学生是王珅、郝宽胜、张永生、叶朝锋、李鹏、辛君君、童允等。在相关技术的实施中，得到了中石化和中石油等相关单位领导和工程技术人员的大力协助，使得该理论和技术在实践中不断完善，在此表示衷心的感谢！

在国外，电磁超声导波检测技术研究较早，有些技术至今仍垄断着市场。随着国内在线检测需求的增长，我国在电磁超声导波方面的研究工作越来越得到重视，工业应用也越来越广泛，希望本书的出版能为广大的研究开发人员、高校师生和工程技术人员提供参考。书中错误和不妥之处，敬请读者批评指正。

作者

2013年8月于清华园

第1章电磁超声换能器

1.1概述

1.2EMAT的研究现状

1.2.1EMAT的结构

1.2.2EMAT换能机理及分析方法

1.3EMAT的优化设计及其新型结构

1.3.1回折线圈的优化设计

1.3.2多簇线圈轴向导波EMAT

1.3.3用于非铁磁材料检测的SH导波EMAT

1.3.4EMAT阻抗匹配电容的计算

第2章基于洛伦兹力机理的EMAT分析方法

2.1基于洛伦兹力机理EMAT的多场耦合方程

2.1.1永磁体的磁场方程

2.1.2脉冲涡流动态磁场方程

2.1.3被测试样质点平衡运动方程

2.1.4超声信号接收方程

2.2耦合场方程的弱形式

2.2.1二维直角坐标下耦合方程的弱形式

2.2.2轴对称坐标系下耦合方程的弱形式

2.3基于COMSOL Multiphysics的EMAT有限元仿真

2.3.1采用COMSOL Multiphysics进行EMAT仿真计算的步骤

2.3.2数值仿真计算实例与试验验证

2.4螺旋形线圈EMAT的解析建模与计算

2.4.1螺旋形线圈EMAT的结构

2.4.2频域求解

2.4.3时域解

2.4.4结果比较及讨论

2.5回折形线圈EMAT的解析建模与计算

2.5.1线圈结构及等效模型

2.5.2线圈阻抗和磁场的频域计算

2.5.3脉冲磁场的时域计算

2.5.4计算实例及结果比较

2.6脉冲电压激励下EMAT的分析方法

2.6.1采用解析公式计算脉冲电流

2.6.2采用场路耦合有限元方法计算脉冲电流

2.6.3采用场路耦合有限元法实现线圈电流计算的实例

第3章基于磁致伸缩机理的EMAT分析方法

3.1铁磁材料的磁化和磁致伸缩特性

3.1.1铁磁材料的磁化特性和磁导率

3.1.2铁磁材料的磁致伸缩特性

3.2基于磁致伸缩机理EMAT的有限元分析方法

3.2.1基本物理方程

3.2.2二维直角坐标下磁致伸缩力和磁致伸缩电流密度的计算

3.2.3轴对称坐标下磁致伸缩力和磁致伸缩电流密度的计算

3.2.4压磁系数的确定

3.2.5基于磁致伸缩机理EMAT的数值仿真计算

3.3SH导波EMAT的解析建模和计算

3.4管道轴向导波EMAT的解析建模与计算

3.4.1δ线圈矢量磁位

3.4.2矩形截面线圈的矢量磁位

3.4.3线圈阻抗、涡流和磁感应强度

3.4.4仅考虑一层导体的情况

3.4.5管道轴向导波EMAT中的磁弹性关系

3.4.6T模式导波的脉冲磁场计算

第4章平板和管道周向超声导波的传播特性

4.1平板Lamb波的频散特性和波结构特性

4.1.1平板Lamb波的频散特性

4.1.2平板Lamb波的波结构特性

4.2平板SH导波的频散特性和波结构特性

4.2.1平板SH导波的频散特性

4.2.2平板SH导波的波结构特性

4.3管道周向Lamb波的频散特性和波结构特性

4.3.1管道周向Lamb波的频散方程及其求解

4.3.2管道周向Lamb波的波结构特性

4.4管道周向SH导波的频散特性和波结构特性

4.4.1管道周向SH导波的频散方程及其求解

4.4.2管道周向SH导波波结构特性

4.5平板导波与管道周向导波传播特性比较

第5章超声导波与缺陷作用的边界元仿真

5.1平板外表面缺陷混合边界元模型

5.2弹性动力积分方程及其基础解

5.3边界积分方程及其离散化数值求解

5.3.1矩阵G中元素的求解

5.3.2矩阵H