Die Lorentz-Kraft entsteht durch Wechselwirkung zwischen einem elektrischen Strom (Stromdichte J), der durch eine Wirbelstromspule induziert wird, und einem magnetischen Fluß (B0). Die Richtung und Größe der Kraft FL ist gegeben durch das Vektorprodukt
 Abb 5.1: Prinzip der elektromagnetischen Anregung durch Lorentz-Kräfte |  Abb 5.2: Prinzip der elektromagnetischen Anregung durch Magnetostriktion  Abb 5.3: Arten von Hochfrequenz- (HF-) Spulen  Abb 5.4: EMUS - Wandler für SH - Wellen mit Elektromagnet |
FL = J x B0 (5.1)
Die Lorentz-Kraft, elektrischer Strom und Magnetfeld sind daher in einem Winkel von 90° zueinander orientiert, Abb. 5.1.
Fast alle ferromagnetischen Materialien weisen eine mechanische Verformung auf, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden. Dieses Phänomen wird Magnetostriktion genannt (in einfachen Worten: Es handelt sich um das magnetische Äquivalent zum piezoelektrischen Effekt). Die Verformung geschieht im allgemeinen parallel zum angelegten magnetischen Feld. Wenn eine Wirbelstromspule auf der Oberfläche eines ferromagnetischen Materials (z.B. unlegiertem Stahl) angebracht wird, werden außer den Wirbelströmen innerhalb des Materials auch dynamische Magnetfelder induziert, die dynamische Kräfte Fms erzeugen. Diese Kräfte sind parallel zum angelegten magnetischen Fluß Bo ausgerichtet, Abb. 5.2.
Um eine angemessene Schallfeldformung zu erhalten, ist es grundsätzlich notwendig, große Aperturen, d.h. große Wirbelstromspulen zu verwenden. Es gibt zwei Konzepte. Eine große Apertur kann durch eine großflächige mäanderförmige Spule erreicht werden oder durch eine Anordnung mehrerer kleiner Spulensegmente, Abb. 5.3. Ein solcher Wandler mit einzelnen Spulensegmenten verhält sich wie ein phasengesteuerter Gruppenstrahler. Die Wirbelstromspule oder die Spulensegmente werden durch einen Tonfrequenzburst mit sich veränderndem Strom und einer je nach Spulengröße angepaßten Burstlänge betrieben. Wenn die Frequenz des Tonfrequenzburst und die Schallgeschwindigkeit des erzeugten Wellenmodes bekannt sind, kann die Wellenlänge berechnet werden.
Der Abstand 
s zwischen zwei nebeneinanderliegenden Linienelementen der Wirbelstromspulen mit derselben Stromrichtung wird als Spurwellenlänge bezeichnet.
Was sind nun die Vor- und Nachteile der zwei verschiedenen Konzepte, nicht segmentierte und segmentierte Spulen (phasengesteuerter Gruppenstrahler). Große, nichtsegmentierte Spulen produzieren schmalbandige Signale, das heißt, daß die axiale Auflösung schlecht ist. Außerdem strahlen EMUS - Wandler mit nichtsegmentierten Spulen dieselbe Energie nach vorne und hinten ab.
EMUS - Wandler mit segmentierter Spule, die wie phasengesteuerte Gruppenstrahler arbeiten, liefern Ultraschallsignale mit größeren Bandbreiten als nichtsegmentierte Wandler und produzieren Vor - Rück - Verhältnisse von 30 - 40 dB. Solche elektromagnetischen, phasengesteuerten Gruppenstrahler sind viel eher für die Ultraschallprüfung geeignet als EMUS - Wandler mit nichtsegmentierten Spulen.
5.2.1 EMUS - Wandler für ferromagnetisches Material
Abb. 5.4 zeigt in einer Draufsicht auf die Unterseite einen EMUS - Wandler-Typ, der ausschließlich bei ferromagnetischem Material verwendet wird [105]. Der U-förmige Elektromagnet liefert ein quasi - statisches Magnetfeld, das parallel zur Werkstoffoberfläche orientiert ist. Der Magnet wird mit Wechselstrom betrieben (z.B. 50 Hz), so daß er auf dem zu untersuchenden Prüfgegenstand leicht bewegt werden kann.
Die Wirbelstromspule ist als eine Reihe von Windungen aufgebaut, deren Längsachse parallel zum Magnetfeld verläuft. Hier verlaufen die Wirbelströme und das Vorfeld parallel, so daß der magnetostriktive Effekt bei der Anregung an ferromagnetischem Material vorherrschend ist.
Solche elektromagnetischen Prüfköpfe werden sowohl mit nichtsegmentierten als auch mit segmentierten Wirbelstromspulen aufgebaut (Prinzip des phasengesteuerten Gruppenstrahlers), Abb. 5.4. Die Spulen werden mit Sendeendstufen, die Tonfrequenzburstsignale erzeugen, betrieben. Im Falle der segmentierten Spulen wird jede einzelne Spule durch getrennte Verstärker und mit zeitverzögerten Burstsignalen angesteuert.
EMUS-Prüfköpfe werden fast ausschließlich mit getrennten Sendern und Empfängern (Wirbelstromspulen) ausgelegt, wobei entweder beide Spulen ineinander verschachtelt angeordnet oder die Spulen nebeneinander in V-Form angeordnet sein können. Mit einem solchen SH-Wellen-Prüfkopf kann auf ferritischem Stahl ein Dynamikbereich von 45 dB erreicht werden. Typische Prüffrequenzen liegen im Bereich 0,6 - 1,5 MHz und typische Spurwellenlängen im Bereich von 3 - 5 mm. Für phasengesteuerte Gruppenstrahler (Wandler mit segmentierten Wirbelstromspulen) beträgt das Verhältnis von Vor - und Rückwärtsabstrahlung typischerweise 30 dB für Einschallwinkel im Bereich zwischen 30° - 60°.
Die Schallbündeldivergenz eines EMUS-Prüfkopfes in der Einschallebene hängt vom Einschallwinkel ab. Generell gilt: Je größer der Einschallwinkel, desto größer die Schallbündelbreite. Eine typische 6 dB-Schallbündelbreite für einen Mäanderwandler (Sendewandler) mit 12 Linienelementen und einer Spurwellenlänge von 4 mm bei 45° Einschallwinkel (f = 1,15 MHz) beträgt +-7. Eine Vergrößerung des Einschallwinkels auf 60° und eine Veränderung der Frequenz auf 0,95 MHz erhöht die Schallbündeldivergenz auf +10°. Eine Erhöhung der Anzahl der Linienelemente verringert die Schallbündeldivergenz. Ein phasengesteuerter Gruppenstrahler (Sendewandler), zum Beispiel, mit 6 Segmenten, die aus jeweils 3 Linienelementen bestehen, und mit einer Spurwellenlänge von 4 mm hat eine Schallbündeldivergenz von +-3° für einen Einschallwinkel von 45°. Eine Vergrößerung des Einschallwinkels auf 60° erhöht die Schallbündeldivergenz auf +-5,5°.
5.2.2 EMUS - Wandler für nicht - ferromagnetisches Material
In nicht oder schwach ferromagnetischem Material erzeugen EMUS Prüfköpfe SH-Wellen durch Lorentz-Kräfte.
 Abb 5.5: EMUS - Wandler für SH - Wellen mit Permanentmagneten |
 Abb 5.6: EMUS- SE- Prüfkopf, Anordnung der Permanentmagnete  Abb 5.7: Änderung des Einschallwinkels durch Variation der Frequenz (nichtsegmentierter EMUS- Wandler) |
Die Bandbreite dieses Prüfkopftyps beträgt 50 - 100%, je nach Breite eines einzelnen Segments, und das Vor- Rück - Verhältnis ist typischerweise größer als 35 dB für getrennte Sende/EmpfangsPrüfköpfe. Die Schallbündeldivergenz eines phasengesteuerten Gruppenstrahler - Prüfkopfes mit sechs Segmenten zu je 3 Elementen und einer Spurwellenlänge von 5 mm, beträgt +-5,5°, bei einem Einschallwinkel von 60°.
Diese Permanentmagnet-Wandler wurden hauptsächlich für nicht ferromagnetisches Material entwickelt. Sie sind hier für Untersuchungen einfach anzuwenden, weil sie leicht zu handhaben sind. Bei ferromagnetischem Material kann dieser Wandlertyp nur unter großen Schwierigkeiten bewegt werden, was auf große Anziehungskräfte zurückzuführen ist; mit Hilfe spezieller Prüfkopfhalterungen ist es jedoch möglich, Permanentmagnet- Prüfköpfe auch bei ferromagnetischen Komponenten zu benutzen.
5.2.3 Einschallwinkel und Frequenz von EMUS - Prüfköpfen
Die Wellenlänge () der Volumenwelle, die durch einen EMUS - Wandler erzeugt wird, hängt ab von der Frequenz (f), mit der die Wirbelstromspulen betrieben werden. Deshalb gilt einfach = c/f, wobei c die Schallgeschwindigkeit der erzeugten Wellenart ist.
Der Einschallwinkel (
) eines EMUS-Prüfkopfes wird im Falle eines nichtsegmentierten Wandlers bestimmt durch die Arbeitsfrequenz und die Spurwellenlänge (s) des Wandlers [130], Abb. 5.7, gemäß dem Verhältnis:
sin = /s (5.2)
Abb. 5.8 zeigt den Einschallwinkel eines Prüfkopfes als eine Funktion der Frequenz und der Spurwellenlänge des Wandlers für die Erzeugung von Longitudinal - und Transversalwellen.
Aus Abb. 5.9 kann man ersehen, daß die Hauptkeule eines nichtsegmentierten Wandlers durch Frequenzänderung gesteuert werden kann [102]. Hier wurden die Richtdiagramme eines Senders an einem Halbzylinder aus ferritischem Stahl mit einem Radius von 150 mm gemessen.
 Abb. 5.8
Einschallwinkel als Funktion der Frequenz, Spurwellenlänge [mm] als Parameter
 Abb 5.9:
Richtdiagramme in der Einschallebene eines nichtsegmentierten EMUS- Sendewandlers (Spurwellenlänge: 4 mm, 12 Linienelemente)
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Es handelt sich um einen elektromagnetischen Prüfkopf mit einer Mäanderspule (Spurwellenlänge: 4 mm, 12 Elemente). Wenn der Sender mit ca. 800 kHz betrieben wird, wird das Maximum der Hauptkeule bei einem Einschallwinkel von 90° erreicht.
Der Einschallwinkel wird zwischen 60° und 40° verändert, wenn die Frequenz zwischen 950 kHz und 1,3 MHz variiert wird. Das Niveau der Nebenkeulen ist aufgrund einer Amplitudenbelegung (Variation der Windungszahl) der einzelnen Elemente der HF-Spule sehr niedrig.
 Abb 5.10: Änderung des Einschallwinkels durch Variation der Verzögerungszeit (segmentierter EMUS Wandler) |
t mit der die einzelnen Segmente angesteuert werden, den Abstand der Segmente (d) und die Schallgeschwindigkeit c durch das Verhältnis:
sin = c t/d (5.3)
Die Frequenz des phasengesteuerten EMUS - Gruppenstrahlers wird bestimmt durch die Spurwellenlänge eines Segments. Wenn die Anzahl der Linienelemente innerhalb eines Segments klein ist (1-3), kann ein phasengesteuerter EMUS - Gruppenstrahler für SH-Wellen bei einer Frequenz für streifenden Einfall betrieben werden, und der Einschallwinkel kann in einem großen Bereich variiert (90° - 50°) werden, indem die Verzögerungszeit verändert wird. Dies ist deshalb möglich, weil die Hauptkeule eines Segments mit z.B. 3 Linien bei der Frequenz für streifenden Einfall sehr breit ist, Abb. 5.11 [103]. Innerhalb dieser breiten Hauptkeule des Einzelsegments kann die Hauptkeule des gesamten Gruppenstrahlerprüfkopfes nur durch Änderung der Verzögerungszeit geschwenkt werden.
Wenn eine große Anzahl von Linienelementen (> 3) für ein Segment verwendet wird, muß die Frequenz des Prüfkopfes gemäß Abb. 5.8 geändert werden, wenn die Verzögerungszeit verändert wird, um einen anderen Einfallswinkel auszuwählen. Da die Hauptkeule der Segmente kleiner wird, wenn die Anzahl der Linienelemente sich erhöht, ist bei einer festen Frequenz ein Empfindlichkeitsverlust für Einschallwinkel außerhalb des Maximums der Hauptkeule zu erwarten.
 Abb 5.11
Richtdiagramm eines Segments eines segmentierten EMUS Wandlers
 Abb 5.12:
Empfindlichkeit eines EMUS - SE - Prüfkopfs entlang der akustischen Achse |
Abb 5.14
Abb 5.15