石油天然气的管道输送在国民经济中占有极为重要的战略地位，其基本要求是保证其安全、高效地运行，因而需要定期或不定期地对在役管道进行检测以评价其安全性。工业发达国家均非常重视油气管道检测技术的研究和开发。目前我国在役管道约二万公里，随着我国海上油气资源的开发及“西气东输”工程的投资，管道检测技术的需求将变得越来越迫切。 目前世界各国已研制出漏磁法、超声法、涡流法、电磁超声、X射线等不同原理的管道无损检测器，并配以先进的信号处理和数据存贮系统，可以检测管道壁厚变化、腐蚀坑、裂纹及所承受的应力等，并进行缺陷的大地定位。这些检测方法各有优缺点，适用于不同特点的检测。其中电磁超声技术以其精度高、不需要耦合剂、非接触、适合于高温检测、移动检测和相控阵操作，以及容易激发各种超声波型等优点，正越来越受到人们的关注和重视。其缺点为换能效率低，信号微弱，这是检测中要克服的主要困难之一。 电磁超声换能器(ElectromagneticAcoustic/UltrasonicTransducer,EMAT)的理论基础主要是两种效应，一种是洛伦兹力，另一种是磁致伸缩。当一载有交变激励电流的线圈靠近被测金属表面时，将在金属内感应出涡流，若此时存在一个静态偏置磁场，由于洛伦兹机制将在金属中产生交变的作用力，这种变化的力将激发出超声波。基于磁致伸缩机制的EMAT仅适用铁磁质或磁性材料的检测。同时EMAT为一个可逆的换能器，它可用来接收超声波。 论文在回顾多年来EMAT技术发展和应用，总结前人研究成果的基础上，对EMAT的电-声换能机理进行了探讨，根据EMAT的作用过程，将一个完整的EMAT分为三个关联的场：电磁场、作用力场和超声波场，根据媒质磁化的Ampère模型和系统动量定律，推导了与EMAT有关的电磁场方程和弹性动力学方程式，给出了EMAT系统的动能力表达式，同时还推导了EMAT的电磁和应力边界条件。 论文采用残数加权有限元方法对电动力学方程及弹性动力学方程进行数值求解，仿真了检测试样中脉冲电涡流的分布。同时将这些求解得到的电涡流分布与弹性动力学方程式相耦合，仿真得到了各向同性线性媒质中的瞬态超声波。为了减小编程的复杂度和程序计算时间，文中采用有限元和有限时间步的计算方法求解二维场中电动力学和声学波动方程。在分析仿真结果的基础上讨论了材料特性、结构参数等对EMAT性能影响，研究了考虑源电流分均匀分布的EMAT有限元算法。同时，文中还对磁致伸缩产生超声进行了数学分析，推导了产生Lamb波的与磁致伸缩力有关的磁致伸缩应变系数的计算方法，分析了偏置磁场的幅值及加磁方向对EMAT性能的影响。结果表明，在铁磁材料检测中偏置磁场的方向和幅值会极大地影响所产生的超声波的幅度，这一点在随后的实验研究中加以验证。 在前述理论分析的指导下，设计了EMAT的实验系统及相应的电路，制作了实验用的EMAT换能器，并从电路原理的角度分析了EMAT的等效电路模型，给出了EMAT的阻抗测量和匹配方法，特别是传输线变压器在EMAT阻抗匹配中有应用。在钢板和不同管径的钢管上进行了一系列的实验，分析了实验的结果，验证了EMAT理论对实际换能器及相应电路设计的指导性作用。 此外，论文在充分考虑管道检测特殊性的基础上，对管道检测中可能遇到的问题进行了一些理想化的假设，设计了EMAT用于管道检测的总体方案及EMAT管道检测系统的硬件方案和软件模块，重点探讨了管道检测超声波模式的选择、缺陷检测和壁厚测量的EMAT换能器设计等问题，并针对管道EMAT检测中缺陷内部定位问题，提出了一发多收式的EMAT布置方案，并研究了相应的信号处理技术。