劉素貞，董碩，方正，張闖

電磁超聲單向表面波對(duì)鋁板微小缺陷的檢測(cè)

劉素貞1,2，董碩1,2，方正1,2，張闖3

(1. 省部共建電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(河北工業(yè)大學(xué))，天津 300130；2. 河北省電磁場(chǎng)與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(河北工業(yè)大學(xué))，天津 300130；3. 河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北石家莊 050035)

電磁超聲表面波被廣泛用來(lái)檢測(cè)表面或近表面缺陷。雙向表面波電磁超聲換能器(Electromagnetic Acoustic Transducer, EMAT)會(huì)在兩側(cè)同時(shí)產(chǎn)生能量較低且均衡的超聲波，而微小缺陷(缺陷深度遠(yuǎn)小于表面波波長(zhǎng))的反射信號(hào)非常微弱，易被噪聲淹沒(méi)，根據(jù)回波信號(hào)，難以識(shí)別和定位缺陷。為此基于惠更斯疊加原理設(shè)計(jì)了單向表面波EMAT，對(duì)其聲場(chǎng)進(jìn)行了有限元分析；研究了增強(qiáng)側(cè)表面波遇到不同缺陷的響應(yīng)特性，得出缺陷深度、角度與反射波幅值的關(guān)系；并對(duì)含不同微小缺陷的鋁板進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法提高了表面波檢測(cè)微小缺陷的靈敏度，并實(shí)現(xiàn)了缺陷位置及深度的量化。

單向表面波；有限元法；缺陷響應(yīng)特征; 電磁超聲換能器

0 引言

鋁合金是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，已大量應(yīng)用在航空、航天、汽車、船舶工業(yè)中。當(dāng)該結(jié)構(gòu)材料出現(xiàn)缺陷(裂紋、磨損)，若未及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)措施，這些損傷將會(huì)在構(gòu)件后期服役過(guò)程中繼續(xù)擴(kuò)張，造成災(zāi)難性后果。

電磁超聲換能器(Electromagnetic Acoustic Transducer, EMAT)是一種非接觸式換能器，其以電磁耦合的方式在導(dǎo)體中激發(fā)和接收超聲波，可以方便地激發(fā)各種類型的超聲波，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 能夠?qū)崿F(xiàn)缺陷的在線檢測(cè)[1-4]。其中，體波可以很好地檢測(cè)試件內(nèi)部缺陷，但對(duì)表面及近表面缺陷存在檢測(cè)盲區(qū)[5-6]；而表面波在傳播時(shí)其能量主要集中在試件表面下一個(gè)波長(zhǎng)的深度，適用于厚板的表面開(kāi)口缺陷檢測(cè)[7-10]。

雙向EMAT產(chǎn)生的超聲波沿?fù)Q能器兩側(cè)傳播，且能量較低。當(dāng)缺陷深度遠(yuǎn)小于表面波波長(zhǎng)時(shí)，其缺陷反射信號(hào)幅值過(guò)小，易被噪聲淹沒(méi)，進(jìn)而給檢測(cè)帶來(lái)困難，為此，本文基于惠更斯疊加原理設(shè)計(jì)了單向表面波EMAT。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)雙向EMAT的設(shè)計(jì)和優(yōu)化做了大量的研究工作，但是對(duì)激發(fā)單向超聲波的EMAT研究相對(duì)較少，多限于壓電超聲換能器。但壓電超聲換能器是一種接觸式超聲換能器，其在使用過(guò)程中需要在換能器和待測(cè)試件間加入耦合劑，對(duì)表面光潔度的要求較高。文獻(xiàn)[11]和[12]設(shè)計(jì)了一種用周向蘭姆波檢測(cè)化學(xué)管道腐蝕的干耦合壓電換能器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了單向輻射的軸對(duì)稱模式的導(dǎo)波，并且表明頻率約為70 kHz的軸對(duì)稱模式導(dǎo)波可用于長(zhǎng)距離管道的檢測(cè)；文獻(xiàn)[13]提出了一種基于時(shí)間延遲的周期性線性陣列模型，用于平板的蘭姆波產(chǎn)生和接收。在陣列設(shè)計(jì)中應(yīng)用干涉原理，實(shí)現(xiàn)了單邊導(dǎo)波的激發(fā)和接收；文獻(xiàn)[14]基于時(shí)延周期環(huán)形陣列，通過(guò)對(duì)環(huán)形陣列的時(shí)延曲線和電連接方案的合理配置，實(shí)現(xiàn)管道無(wú)損檢測(cè)的空心柱體的軸對(duì)稱模式單向周向?qū)Рǖ募?lì)，并分析了壓電單元的數(shù)目、間距和寬度等對(duì)導(dǎo)波激發(fā)效率的影響；文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)了磁致伸縮導(dǎo)波換能器，通過(guò)反相疊加產(chǎn)生了單一方向的縱波，但是信號(hào)削弱效果并不明顯，削弱側(cè)仍然有較大的回波；文獻(xiàn)[16]和[17]提出了一種能夠單向線聚焦的線圈，通過(guò)對(duì)曲折線圈的間距設(shè)計(jì)，使體波在一側(cè)得到增強(qiáng)，另一側(cè)得到削弱，同時(shí)實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)側(cè)體波在一點(diǎn)的聚焦，提升了體波檢測(cè)缺陷的靈敏度。

本文采用有限元軟件COMSOL Multiphysics對(duì)用于鋁板表面檢測(cè)的單向表面波EMAT的發(fā)射-接收過(guò)程進(jìn)行多物理場(chǎng)有限元建模和仿真分析，得到了其聲場(chǎng)的主要特征；仿真分析了不同微小缺陷的回波響應(yīng)特性，并研究了缺陷深度、角度與反射系數(shù)的關(guān)系。最后，通過(guò)搭建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)設(shè)計(jì)的電磁超聲單向表面波換能器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 單向表面波EMAT有限元模型

采用垂直磁場(chǎng)在鋁板中激發(fā)單向表面波，鋁板寬、高分別為200 mm、40 mm；換能器結(jié)構(gòu)為雙曲折線圈+矩形磁鐵，激發(fā)頻率為 1 MHz；永磁鐵寬、高為20 mm、15 mm，與鋁板距離為0.5 mm；導(dǎo)線寬、高為0.20 mm、0.05 mm，線圈中心坐標(biāo)為(0,0)，提離距離為0.1 mm；表面波長(zhǎng)=2.98 mm，相鄰曲折線圈間距=/4。單向表面波EMAT模型如圖1所示。

圖1 單向表面波收發(fā)一體的電磁超聲換能器示意圖

當(dāng)兩個(gè)或者兩個(gè)以上的聲源在同一試件內(nèi)傳播時(shí)，試件內(nèi)的超聲波幅值滿足惠更斯疊加原理。曲折線圈EMAT中的每一根導(dǎo)線相當(dāng)于一個(gè)點(diǎn)聲源。當(dāng)兩列頻率相同、振動(dòng)方向相同的波，在相遇點(diǎn)的相位差恒定時(shí)，合成波場(chǎng)中會(huì)出現(xiàn)某些點(diǎn)的振動(dòng)一直加強(qiáng)，某些點(diǎn)的振動(dòng)一直減弱(或完全消失)。

單向表面波的激發(fā)原理如圖2所示。在線圈A、B中通入周波數(shù)、幅值相同，相位相差90°的高頻脈沖電流。在=時(shí)刻(為表面波的周期)，線圈B正下方的質(zhì)點(diǎn)開(kāi)始產(chǎn)生超聲波；在=+/4時(shí)刻，線圈A正下方的質(zhì)點(diǎn)開(kāi)始產(chǎn)生超聲波，此時(shí)線圈B所產(chǎn)生的超聲波已經(jīng)沿傳播方向傳播了/4。在線圈中心左側(cè)，線圈A、B激勵(lì)產(chǎn)生的超聲波相位相同，合位移為線圈A或B單獨(dú)產(chǎn)生超聲波位移的2倍，即線圈中心左側(cè)為增強(qiáng)側(cè)；在線圈中心右側(cè)，兩線圈激勵(lì)產(chǎn)生的超聲波位移相位相反，超聲波相互抵消，合位移為0，即線圈中心右側(cè)為削弱側(cè)。但實(shí)際由于靜態(tài)偏置磁場(chǎng)在換能區(qū)域內(nèi)分布不均勻，導(dǎo)致兩個(gè)線圈激發(fā)的表面波幅值不完全相同，并且不能保證超聲波的相位完全同相疊加或反相抵消。

圖2 單向傳播表面波的激發(fā)原理

通過(guò)上述分析可知，當(dāng)線圈A中的電流相位滯后線圈B中的電流相位時(shí)，超聲波能量將主要沿線圈中心的左側(cè)傳播；反之，超聲波能量將主要沿線圈中心的右側(cè)傳播。因此，可以通過(guò)控制兩個(gè)線圈電流的相位來(lái)控制聲波主能量的傳播方向，進(jìn)而利用增強(qiáng)側(cè)的高幅值聲波檢測(cè)微小缺陷。

2 聲場(chǎng)仿真分析

采用直角坐標(biāo)系建立雙向表面波EMAT有限元模型，換能器結(jié)構(gòu)為單曲折線圈+矩形磁鐵，線圈間距為/2；其他相關(guān)參數(shù)和圖1所示單向表面波EMAT一致。圖3為14 μs時(shí)刻，雙向表面波EMAT和單向表面波EMAT在完好試件激發(fā)的超聲波聲束的面內(nèi)位移分布圖。從圖中可以看出，雙向表面波EMAT產(chǎn)生沿?fù)Q能器兩側(cè)傳播的能量較低的超聲波；而單向表面波EMAT只在單側(cè)激發(fā)出明顯的超聲波，且能量較強(qiáng)。

圖3 14 μs時(shí)刻雙向EMAT和單向EMAT激發(fā)聲波的位移分布

圖4表示當(dāng)鋁板無(wú)缺陷，單向表面波EMAT產(chǎn)生的聲波能量主要沿線圈中心右側(cè)傳播時(shí)，接收點(diǎn)C(60,-0.2)和D(-60,-0.2)以及雙向表面波EMAT激發(fā)聲波在C、D點(diǎn)的面內(nèi)位移。從圖4中可以看出，雙向表面波EMAT產(chǎn)生沿?fù)Q能器兩側(cè)傳播位移幅值相當(dāng)?shù)某暡ǎ粏蜗虮砻娌‥MAT增強(qiáng)側(cè)超聲波位移幅值接近雙向表面波EMAT激發(fā)聲波的兩倍，而相對(duì)于增強(qiáng)側(cè)，削弱側(cè)聲波位移幅值非常微小，近似為0。

圖4 雙向EMAT和單向EMAT的C、D點(diǎn)的面內(nèi)位移

3 缺陷檢測(cè)特性分析

3.1 裂紋缺陷的定位分析

圖5 缺陷P1、P3的回波信號(hào)

圖6 缺陷P2、P3的回波信號(hào)

3.2 裂紋缺陷的量化分析

超聲無(wú)損檢測(cè)中不僅需要定位缺陷，定量判斷缺陷尺寸也至關(guān)重要。由于缺陷越深，反射信號(hào)的能量越強(qiáng)，所以可以根據(jù)增強(qiáng)側(cè)缺陷的反射波能量對(duì)缺陷進(jìn)行定量分析。

為消除每次實(shí)驗(yàn)入射信號(hào)及檢測(cè)位置不同的影響，定義反射系數(shù)：

圖7 單向表面波收發(fā)分開(kāi)的電磁超聲換能器組示意圖

圖8 反射系數(shù)隨裂紋深度變化曲線

取裂紋角度為90°時(shí)的反射系數(shù)離散點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合。反射系數(shù)為自變量，裂紋深度與波長(zhǎng)之比為變量，擬合結(jié)果如圖9所示，其中擬合曲線表達(dá)式為

從圖9可以看出，離散點(diǎn)的曲線擬合結(jié)果能夠很好地表達(dá)裂紋深度與反射系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系。因此，可以將其作為裂紋深度量化的一個(gè)依據(jù)。

圖9 θ為90°時(shí)裂紋深度與反射系數(shù)擬合曲線

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

選用電磁超聲單向表面波對(duì)含不同缺陷的鋁板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)采用圖1所示的單向表面波EMAT，其中鋁板的寬×長(zhǎng)×高為200 mm×60 mm× 40 mm；在平面，試件裂紋缺陷信息如表1所示，其中，裂紋寬度為0.2 mm；為裂紋缺陷和軸正半軸的夾角，且作為已知量。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖10所示，該系統(tǒng)由Ritec RAM-5000的延時(shí)功能產(chǎn)生相位差為90°的高頻脈沖信號(hào)，由其兩個(gè)輸出通道輸出，經(jīng)相應(yīng)阻抗匹配后，分別施加在線圈A、B上，示波器采集經(jīng)濾波放大后的感應(yīng)電壓信號(hào)。

表1 含不同缺陷的鋁板

圖10 單向表面波檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)布設(shè)

對(duì)線圈相位進(jìn)行設(shè)置，使EMAT激發(fā)的大部分超聲波能量分別沿線圈中心左、右側(cè)傳播，圖11、12分別為1、2號(hào)鋁板的檢測(cè)回波信號(hào)。

從圖11(a)可以看出線圈中心右側(cè)存在一缺陷，根據(jù)缺陷與右端面回波的時(shí)間差為25.78 μs，計(jì)算得到實(shí)驗(yàn)中表面波在鋁板中的傳播速度為3 103 m·s-1，與理論波速相對(duì)誤差為4.13%。

圖11 1號(hào)鋁板的缺陷回波信號(hào)

對(duì)比圖11(a)、11(b)可知，由于裂紋深度的減小，其反射波幅值也有所降低，與理論一致。根據(jù)圖11(b)中缺陷與左端面回波的時(shí)間差計(jì)算得缺陷距離線圈中心左側(cè)28.27 mm，與實(shí)際缺陷位置相對(duì)誤差為5.77%。

在估算所得缺陷位置的基礎(chǔ)上，依據(jù)圖7所示單向表面波一發(fā)一收EMAT對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行重新連接，進(jìn)而根據(jù)接收信號(hào)對(duì)左右兩側(cè)裂紋深度進(jìn)行了量化，其結(jié)果見(jiàn)表2。其中相對(duì)誤差所指為實(shí)驗(yàn)所測(cè)缺陷深度相對(duì)實(shí)際缺陷深度的誤差。

表2 左、右側(cè)缺陷深度分析結(jié)果

圖12為2號(hào)鋁板的檢測(cè)回波信號(hào)。從圖12可以看出，當(dāng)線圈中心右側(cè)為增強(qiáng)側(cè)時(shí)，EMAT只接收到右端面回波，說(shuō)明線圈中心右側(cè)不存在缺陷；當(dāng)線圈中心左側(cè)為增強(qiáng)側(cè)時(shí)，根據(jù)回波信號(hào)可知在線圈中心左側(cè)存在兩個(gè)缺陷，與實(shí)際情況一致。根據(jù)圖12對(duì)兩個(gè)缺陷進(jìn)行了定位，結(jié)果見(jiàn)表3。

圖12 2號(hào)鋁板的缺陷回波信號(hào)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單向表面波可以很好地對(duì)鋁板微小缺陷進(jìn)行識(shí)別、定位；通過(guò)反射系數(shù)與裂紋深度的關(guān)系可以比較準(zhǔn)確地對(duì)裂紋深度進(jìn)行量化；但是由于測(cè)量結(jié)果的讀取誤差以及板材實(shí)際參數(shù)和仿真分析值的差別，使裂紋缺陷的定位以及深度量化存在一定的誤差。

表3 缺陷1、2的定位分析結(jié)果

5 結(jié)論

本文對(duì)鋁板單向表面波電磁超聲換能器進(jìn)行了有限元分析，研究了單向表面波EMAT的聲場(chǎng)特性；仿真分析了不同缺陷回波的響應(yīng)特征以及缺陷深度、角度與反射系數(shù)的關(guān)系；最后采用電磁超聲單向表面波檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)含不同微小缺陷的鋁板進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單向表面波可以很好地對(duì)鋁板微小缺陷進(jìn)行識(shí)別定位；通過(guò)反射系數(shù)與裂紋深度的關(guān)系可以比較準(zhǔn)確地對(duì)裂紋深度進(jìn)行量化，為微小缺陷的定量檢測(cè)提供了依據(jù)。

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Tiny defect detection of aluminium plate by electromagnetic ultrasonic unidirectional surface wave

LIU Su-zhen1,2, DONG Shuo1,2, FANG Zheng1,2, ZHANG Chuang3

(1.,,300130,;2.,,300130,; 3.,050035,,)

Electromagnetic ultrasonic surface wave is widely used to detect and locate defects on surface or near surface. The bidirectional surface wave EMAT (Electromagnetic Acoustic Transducer) can simultaneously generate ultrasonic waves with lower and balanced energy on both sides，so that the echo signals from the tiny defects with the depth much smaller than the surface wave wavelength are very weak and easily submerged in noise background, which makes it difficult to identify and locate the defects according to the echo signal. Therefore, the unidirectional surface wave EMAT is developed based on Huygens superposition principle, and the acoustic field of EMAT is analyzed by Finite Element Method (FEM). The response characteristics of the enhanced one-way surface wave to different defects are studied, and the relationships between the flaw angle, depth and the amplitude of the reflection waves are obtained. An experimental study on aluminum plates with different tiny defects is carried out. Simulation and experimental results show that the proposed method improves the sensitivity of surface wave to tiny defects, and the quantification of defect location and depth is realized.

unidirectional surface waves; finite element method (FEM); response characteristics of the defects; Electromagnetic Acoustic Transducer (EMAT)

TB552

A

1000-3630(2019)-03-0290-06

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.03.009

2018-01-23;

2018-04-20

國(guó)家自然科學(xué)基金(51777052)、河北省自然科學(xué)基金(E2016202260，E2017202055)和天津市自然科學(xué)基金(16JCYBJC19000)資助項(xiàng)目

劉素貞(1969－), 女, 河北大城人, 博士, 教授, 博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)楣こ屉姶艌?chǎng)與磁技術(shù)。

劉素貞, E-mail: szliu@hebut.edu.cn