中距離電磁超聲導波檢測及應用

趙軍輝，朱緒祥，沈宇平

（蘇州博昇科技有限公司，蘇州215127）

中距離電磁超聲導波的頻率范圍一般在幾百千赫茲到幾兆赫茲的范圍，涉及到的導波模式有表面波、蘭姆波和水平橫波。用中距離電磁超聲導波進行缺陷檢測時具有非接觸、無需耦合劑、信號重復性好、檢測速度快、靈敏度高等特點，容易滿足特殊條件的檢測，在工業領域有著廣泛的應用前景［1－4］。

美國的THOMPSON 在20世紀70年代建立了基于洛倫茲力和磁致伸縮機理的電磁超聲Lamb波理論模型，并對金屬材料進行檢測［5－6］。國內鋼鐵研究總院首先將電磁超聲Lamb波用于鋼板檢測［7］，王淑娟［8］、臧慧［9］、劉增華［10］、周正干［11］、涂君［12］、武新軍［13］等課題組對電磁超聲檢測做了代表性的研究。

筆者通過利用蘇州博昇科技自主開發的商業電磁超聲檢測儀器，研究人工通孔缺陷對Lamb波A0模態的影響，推導出A0模態信號對面積缺陷檢測的分辨率；并且介紹了電磁超聲導波檢測技術在鐵磁性和非鐵磁性管道檢測中的應用以及在薄板焊縫檢測中的應用。

1 檢測方法

板狀材料中Lamb波的頻散方程［1］為：

式中：p2＝（ω／cL）2－k2；q2＝（ω／cT）2－k2；k為波數；ω為角頻率；cL，cT分別為縱波和橫波的傳播速度；h為板厚的一半；式（1）右邊項的指數是“＋1”時對應Lamb波的對稱模態（Sn），指數是“－1”時對應Lamb波的反對稱模態（An）。

所用鋼板材料檢測的基本參數為：測量溫度為17℃，密度為7 800kg·m－3，縱波速度為5 900m·s－1，橫波速度為3 200m·s－1。

對式（1）進行求解計算，得出鋼板的頻散曲線如圖1所示。

圖1 鋼板Lamb波頻散曲線

電磁超聲導波激發和接收的探頭主要由線圈和磁鐵組成，線圈的形狀和幾何參數直接影響著電磁超聲導波的激發。筆者研究激發超聲導波采用回折線圈，優化回折線圈的參數，選取回折間距為導波波長的一半［3，6］，即L＝λ／2。

則波數：

相速度：

群速度：

板厚為導波波長的一半時激發效率較高［14］，即d＝λ／2＝L時，則：

式中：k為波數；λ為波長；cp為相速度；f為頻率；cg為群速度。

相速度與頻厚積的關系曲線如圖1中斜直線所示。根據檢測試樣的板厚可以確定特定模態導波的效率較佳的激發頻率范圍。按照這樣的思路，比如當鋼板板厚為4mm 時，A0模態導波的最佳激勵頻率為314kHz左右，S0模態導波的最佳激勵頻率為563kHz左右，對應的傳播速度分別為3.218mm·μs－1和2.304mm·μs－1。

一般Lamb導波檢測用的最多的模態有4個，即A0、S0、A1和S1。這四個低頻模態在上述選取的激發頻率的思路下比較容易區分，從而避免導波檢測常見的多模態干擾。

圖2 檢測系統與鋼管試樣

2 檢測方案和結果

檢測系統裝置如圖2所示。采用蘇州博昇科技公司開發的商業電磁超聲檢測系統PR－EMAT－100，儀器配套專門的商業化軟件、前置放大器和電磁超聲探頭。試樣為鋼管，如圖2（c）所示。主機提供發射探頭所需的電流和激發頻率，在試樣鋼管中產生沿著管周向方向傳播的超聲導波，接收探頭接收含有鋼管健康特征信息的導波信號，經前置放大器放大后傳輸給主機，通過電腦上安裝的儀器配套軟件采集和存儲檢測數據。可方便查看A 掃描、B掃描、A＋B掃描顯示的鋼管試樣的健康狀況，判斷有無損傷缺陷的存在。

2.1 檢測方案

電磁超聲換能器采用傳統的一發一收方式，換能器結構如圖2（b）所示，由線圈、磁鐵和檢測試樣組成。線圈通電流后和檢測試樣（鐵磁性材料）形成磁場，并與磁鐵所在的磁場相互作用，產生洛倫茲力和磁致伸縮力激發所需的導波模態。將鋼管的周向方向發射探頭和接收探頭有機械連接的一側記為路徑M，另一側為路徑N，如圖2（c）所示。

圖2（d）是所需的鋼管試樣，長1 000mm，內徑132mm，外徑140mm，板厚4mm。沿鋼管軸向方向分別設置φ10mm、φ8mm、φ6mm、3mm×φ4mm、φ4 mm 和φ3mm的人工通孔缺陷，間距分別為146，140，93，94，94，97 mm 和301 mm。所有的人工孔都在鋼管底面。3個3mm×φ4mm 的人工通孔為周向等間距分布。

計算鋼管試樣內徑與外徑的比值，即鋼管彎曲程度η＝94.3% ＞90%，根據文獻［1］中的表述，鋼管試樣的周向導波的頻散曲線比較接近平板情況，使用平板時的頻散曲線近似等效。

通過軟件提取鋼管試樣的超聲導波檢測信號，對比有無人工缺陷時的導波信號，分析通孔直徑對導波信號的影響，研究A0模態導波檢測缺陷的能力。

2.2 檢測結果分析

通過研究通孔對A0模態導波信號的影響，判定整個電磁超聲檢測系統的檢測靈敏度。然后列舉商用電磁超聲檢測儀器在鋼管檢測和薄板焊縫檢測中的應用。

選擇發射頻率310kHz探頭激發產生A0模態超聲導波，檢測信號如圖3所示。為提高研究普遍性，對信號進行歸一化處理。觀察發現，信號的信噪比很高，波包清晰干凈，頻散很小。

圖3 A0 模態超聲導波信號

圖3信號中均含有5 個波包，依據A0導波在鋼板中的理論傳播速度及接收和發射探頭的位置關系，判斷波包1為接收線圈感應到的初始脈沖信號，波包2為接收線圈接收的直達波信號，傳播路徑為M，波包3為接收線圈接收的次直達波信號，傳播路徑為N，波包4為直達波傳播一周后接收的信號，傳播路徑為M＋N＋M，波包5為次直達波傳播一周后接收的信號，傳播路徑為N＋M＋N。讀取波包2和波包4峰值到達的時間，計算波包沿鋼管的周向傳播一周需要的時間t＝1.3×10－4s，已知鋼管外周長l＝439.6mm，計算波包的傳播速度為c＝3.382mm·μs－1。與A0導波的理論傳播速度3.218 mm·μs－1接近，故判斷為A0模態導波。

對比圖3中不同通孔直徑時的A0模態導波信號，直達波（波包2）信號由于傳播距離最近，波包能量衰減最小，信號幅值變化不明顯，且路徑N上存在的缺陷檢測不到。實際應用中路徑M上存在缺陷的比率很低。次直達波（波包3）對路徑M上存在的缺陷也檢測不到。相對而言，波包4沿著鋼管圓周傳播一圈，無論缺陷在路徑M還是N上都能對信號造成衰減，比較適合用來整體判斷鋼管周向是否有缺陷的存在。波包5也沿鋼管傳播一周，但其傳播路徑比波包4 遠，能量衰減的也相對較多。故試驗中選用波包4包含的信息特征進行分析。

沿鋼管試樣的軸向方向勻速移動電磁超聲導波探頭，提取檢測的所有導波信號并對信號取包絡，找出波包4對應的最大幅值及幅值對應的時間，研究幅值和時間隨掃描位置的變化關系，如圖4 所示。觀察發現，信號的幅值較時間對人工通孔缺陷敏感。

圖4 A0 模態導波峰值及其對應時間的對比圖

提取通孔直徑不同時檢測信號中波包4 的幅值，研究A0模態導波與通孔直徑的變化關系，如圖5所示，通過線性擬合得到斜線。觀察發現，A0模態導波的幅值隨著通孔直徑的增大呈線性減小的趨勢，且趨勢比較明顯。如果把人工孔缺陷換算成截面積的缺陷，則最小的人工孔φ3mm 對應0.7%的截面積變化，考慮到φ3 mm 的孔徑遠遠小于探頭有效磁鐵面積25mm×25mm，該電磁超聲檢測系統A0模式對壁厚4 mm 鋼管的截面積缺陷的分辨率遠高于0.7%截面積的水平。

圖5 A0 模態導波峰值隨通孔直徑的變化

2.3 電磁超聲導波檢測儀器的應用

2.3.1 鋼管的檢測

電磁超聲導波檢測儀器對鋼管進行檢測的缺陷顯示如圖6所示。可以看到，檢測信號的信噪比很高，波包清晰，肉眼很難看到信號頻散和疊加的現象。

圖6 鋼管的檢測

2.3.2 薄鋼板焊縫的檢測

圖7為電磁超聲導波檢測儀對6mm 厚焊接板檢測顯示窗口顯示的A＋B 掃描圖。觀察發現，A掃描的波形信號的信噪比很高，焊縫和板的邊界反射回波都清晰可見。儀器可分別激發A0和S0模態超聲導波，也可激發SH0導波，適合檢測板厚在12mm 以下的工件中存在的缺陷，而壓電超聲焊縫檢測一般要求板厚在8mm 以上。

圖7 焊接板的檢測

2.3.3 銅合金管檢測

采用筆者公司開發的商用電磁超聲導波儀器，對銅合金管進行檢測的B掃圖如圖8所示。

圖8 銅合金管的B掃圖

3 結語

雖然中距離電磁超聲導波的檢測范圍涉及船舶、航空、汽車、建筑等行業，應用范圍廣，檢測原理復雜，但商用電磁超聲導波儀器檢測時操作簡單，且容易上手。基于蘇州博昇科技有限公司的電磁超聲導波檢測儀的檢測和應用，介紹了電磁超聲導波檢測的基本原理，繪制了Lamb導波頻散曲線，分析了單一模態超聲導波的激發頻率的選擇。以鋼管檢測時提取的A0模態超聲導波信號為例，分析討論電磁超聲導波對系列人工通孔缺陷的檢測，推導出檢測系統對位于管截面處缺陷面積的分辨率。

［1］ 黃松嶺，王坤，趙偉.電磁超聲導波理論與應用［M］.北京：清華大學出版社，2013.

［2］ MASAHIKO H，HIROTSUGU O.EMATs for science and industry noncontacting ultrasonic measurements［M］.［S.l］：Kluwer Academic Publishers，2003.

［3］ 蔣韜.金屬板材中電磁超聲導波檢測技術的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，2010.

［4］ 鄒金津.基于電磁超聲導波的金屬板缺陷檢測技術研究［D］.沈陽：沈陽工業大學，2011.

［5］ THOMPSON R B.A model for the electromagnetic generation and detection of Rayleigh and Lamb waves［J］.IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics，1973，20（4）：340－360.

［6］ THOMPSON R.Mechanisms of electromagnetic generation and detection of ultrasonic Lamb waves in iron－nickel alloy polycrystals［J］.Journal of Applied Physics，1977，48（12）：4942－4950.

［7］ 許維灝，陸原，李希英，等.鐵磁性鋼板電磁超聲蘭姆波的探傷技術的研究［J］.鋼鐵研究學報，1988，8（2）：59－64.

［8］ 王淑娟，康磊，李智超，等.電磁超聲換能器三維有限元分析及其優化設計［J］.中國電機工程學報，2009，29（30）：123－128.

［9］ 臧慧.基于電磁超聲橫波的金屬板厚度檢測技術研究［D］.沈陽：沈陽工業大學，2013.

［10］ 劉增華，徐營贊，何存富，等.板狀結構中基于Lamb波單模態的缺陷成像試驗研究［J］.工程力學，2014，31（4）：232－238.

［11］ 周正干，黃鳳英，倪先勝.超外差接收相敏檢波在電磁超聲檢測中的應用［J］.北京航空航天大學學報，2011，37（3）：253－259.

［12］ 涂君.鋼管自動化電磁超聲測厚方法研究［D］.武漢：華中科技大學，2014.

［13］ 丁秀莉，武新軍，郭鍇.等.電磁超聲傳感器工作原理與結構［J］.無損檢測，2015，37（1）：96－100.

［14］ ALERS G A，BURNS L R.EMAT designs for special application［J］.Materials Evaluation，1987，45：1187－1185.