EMAT技術在金屬信道中的應用

王碩

摘 要 ：本文根據近年來利用超聲波穿過金屬通信技術構成射頻、超聲混合局域網的研究情況，對通信用電磁聲換能器EMAT（Electromagnetic Acoustic Transducer）技術在金屬信道通信中的應用研究進行了分析介紹。

關鍵詞：船舶內部通信 超聲波通信 電磁聲換能器

船舶及其裝備的金屬結構對船舶內部無線網絡應用的可靠性、快速部署與恢復、部署費用等都有著極大的影響。水密、氣密、耐壓、防化學、核泄漏等工程的要求，也很難接受在金屬外壁上打孔布線，破壞其金屬結構的完整性。近年來利用超聲波進行有效、實用的穿過金屬通信研究取得了顯著的成果，這使得無損地穿過金屬結構進行通信成為可能。

利用超聲波進行穿過金屬通信，長期沒有有效、實用的產品出現。從技術上講，存在著兩個關鍵性的問題：一是要能有效、可靠和實用地進行超聲轉換；二是要能有效克服金屬信道固有的，由邊界反射造成的多徑失真，以較高的數據率傳送信息。

EMAT換能技術

在耦合良好的情況下壓電式超聲換能器轉換效率高，這對于此發彼收的通信應用來說是有利的。但要做到“耦合良好”，不僅要去除金屬表面原有的涂敷層（如油漆）、氧化物等，還要求金屬表面有一定的光滑度，而且還要使用耦合劑，如油脂、軟膏、水等，在穿過金屬通信研究中則多使用凝膠、環氧樹脂。然而，在快速部署中未必能進行金屬表面預處理；在震動或高溫（超過300℃）環境下粘合也很可能脫開；而粘合劑較長的固化時間也不適合于快速部署。所以應尋找一種適合通信應用的超聲換能器。

60年代末開始興起的電磁聲換能器EMAT（Electromagnetic Acoustic Transducer）技術與壓電式超聲換能器技術的耦合機制完全不同，它是一種非接觸式的超聲換能技術。在經過了近50年的不懈努力后，已逐步進人了工業應用階段，但其應用領域還僅限于材料檢測。

近幾年來，人們開始在穿過金屬通信的研究中采用EMAT技術，并取得了通過80mm厚的鋼制墻，數據傳輸速率達1Mbits/s的測試結果。

1、EMAT的構造和工作原理

EMAT由永久磁鐵和射頻激勵線圈組成。此種換能器通過一種Lorentz力、磁化力和磁致伸縮效應（磁彈性）的組合作用，直接在導電材料表面的內部，引起與激勵磁場同頻率的震蕩而產生超聲波。通過與此相反的過程，則可在接收端將聲波轉換為電信號。通過人為地設計線圈與靜態磁場的相對方位，EMAT還可以改變導電材料表面的受力方向，從而產生不同類型的超聲波。

EMAT產生聲波的具體機制較為復雜，綜合目前的研究文獻：對于非鐵磁材料（如銅、鋁等），Lorentz 力是唯一的機制；而當金屬是鐵磁體時，三種機制都起作用，一般情況下磁致伸縮機制占優勢，且磁致伸縮機制產生橫波的效率遠高于產生縱波的效率（可高約100倍）。因此實際應用的EMAT應采取產生徑向極化橫波的配置。

2、.EMAT提離對性能的影響

EMAT提離（liftoff）對其性能的影響，各研究團隊從不同的研究角度進行了測試分析；對金屬表面非導電層的影響則給予了忽略，完全視為提離的一部分。有實驗顯示，通信應用時，即使有大體上1mm的提離，EMAT傳輸的信號強度也只下降到與金屬壁密切接觸最大值的80% 。有研究團隊聲稱，當EMAT提離距離達7 mm時（如是發射可達10mm），仍能維持穿過厚鋼制艙壁的，較高速率的數據傳輸。

3、EMAT的應用優勢與不足

EMAT可以不直接接觸導電表面工作，這就避免了由于耦合劑、覆蓋層和金屬壁之間阻抗失配而引起的任何問題，這是它的突出優勢，甚至使它成為在某些情況下唯一可以應用的換能器。另外，永久磁鐵還提供了一種可進行機械固定和軸向對準的機制，即它可以吸附在鐵磁性金屬的表面工作。這些優勢使得EMAT可以迅速部署到金屬壁表面。有研究團隊聲稱，在典型的應用下，部署一個EMAT系統只需數分鐘。

還有一個很特別的地方是，橫波不能在粘性流體如空氣和水中傳播，因此，聲波被限制于金屬的局部區域，可防止外部的偵測。這對于軍事應用是有一定意義的。

EMAT的主要缺點是相對于充分耦合的壓電換能器來說換能效率低，對于通信來說，這會惡化信道，加重多徑失真，但也并不是低得無法接受，成功地穿過金屬通信已給予了證明。所以在EMAT激勵線圈中心頻率的選擇上，雖然較高的頻率選擇可提供更大的帶寬，但卻開支了更大的傳輸損耗，為了使系統的信噪比最大化，實際應用時就要對各種因素進行平衡。

脈沖位置調制快速部署聲網關系統

根據不同的需求，選擇合適的通信技術來克服金屬信道傳 輸中固有的多徑干擾，實現可靠通信是相關研究中另一個主攻方向。這里介紹的EMAT和脈沖位置調制（PPM）相結合的快速部署聲網關演示系統，是英國的研究團隊專為未來可穿過海軍艦艇艙壁的無線傳感器網絡信息流量而設計的。對這種數據速率的系統，脈沖位置調制是非常有吸引力的，因為：①對于一給定材料，如果已知傳播速度和衰減，就有可能確定最壞情況的多徑參數。因此，選擇一個適當的保護間隔就可以保證消除碼間干擾；②實現簡單：印刷電路板可小型化且器件成本可以保持在最低限度；③功率效率高：對于較低數據速率，由于發射占空比低，此方案遠比連續波調制功率效率高；④接收機低功率：接收機沒有復雜的信號處理或不需要其他的計算，功率需求降到最低。這種低成本，低功耗的硬件裝置很適合應用于數據速率低的傳感器網絡。

由于必要的保護時間，該系統的數據速率被限制在50kbps。

1、聲網關演示系統構成概要

圖3是一個系統級的框圖，它突出了聲網關演示系統的主要部分。網關的兩個單元必須在金屬艙壁的兩邊被正確、充分地對準，排直。

2、現場測試結果與討論

第一個ping測試在35 -- 44mm不同厚度的墻壁上進行，平均有1 / 1000的測試失敗。很明顯，表面涂層的變化不影響網關的性能，正如預期的那樣。到72mm墻時，測試結果顯示有110 / 1000的失敗，測試者認為這僅是由于發射功率有限的原因。最后的測試在一個10mm厚鋼墻上的兩個位置來進行。一個徹底失敗；一個中度的丟包。測試者認為從相同鋼板的不同位置獲得的脈沖響應性質的不一致表明，10mm材料在顯微結構上存在不規則的間斷。很明顯，金屬的構成會阻礙網關通信方案的有效實施。

結語

采用EMAT換能器是實用化穿過金屬通信中的一個重大進步。如采用EMAT與QPSK調制和判決反饋均衡器（DFE）結合，則可實現超過1Mbps數據速率的高速方案。采用OFDM調制技術，其數據速率可超過10Mbps。另外，人們還對在無法進行外部供電和更換電池的情況下，向金屬壁另一側的無線網關傳輸電力的問題進行了有成效的研究。

（作者單位：中國船舶重工集團公司第七二二研究所）