感應式磁聲無損檢測技術

(華北電力大學 電子與通信工程系，保定 071003)

無損檢測技術可以在不損傷待測物原有物理狀態和化學性質的情況下，對其進行產品評估、故障診斷和性能研究，具有不會對待測物體造成損傷、能夠實時監控物質狀態并及時檢測出缺陷位置等特點[1]。目前，該技術被廣泛應用于金屬材料、非金屬材料、復合材料及電子元器件等的檢測中。

超聲與電磁檢測技術是目前技術最成熟、發展最迅速、應用最廣泛的工業無損檢測方法。超聲無損檢測技術通常采用超聲換能器向待測試件發射超聲短波，當短波到達缺陷部位時，一部分超聲波會發生反射，對回波信號進行接收并分析處理，即可檢測出內部缺陷并對其定位[2]。電磁無損檢測技術是以電磁理論為依據的無損檢測方法[3]，通過把激勵電流或電磁場，以及兩者同時引入被測試件中，利用被測試件在電磁場作用下呈現出的電學或者磁學性質的變化，來檢測相應的電磁響應，從而獲得有關試件表面和近表面的缺陷特征信息。其中，渦流檢測是通過被測試件表面的渦流阻抗變化來檢測缺陷的，其檢測精度較高，但渦流探頭檢測面積較小，僅能針對表面的一點進行檢測，不適宜進行大面積的快速檢測(如金屬板材的在線缺陷檢測)，且在鐵磁性材料中的穿透力較弱，檢測效率較低[4]。電磁超聲檢測通過對聲波在缺陷處的反射回波進行分析來對缺陷進行識別，但該方法僅能檢測出缺陷的存在與否，不能清晰地顯示出缺陷的邊界和形狀，也不能對其電磁特性進行定量測量[5]。

通過將超聲與電磁檢測融合在一起，形成了基于多物理場耦合的感應式磁聲(Magnetoacoustic Tomography with Magnetic Induction，MAT-MI)無損檢測技術，可充分發揮超聲和電磁檢測的優勢，提供有關被測件及其缺陷更為豐富的信息。與常規檢測方法[4-5]不同的是，MAT-MI不僅能檢測出缺陷的幾何形態和位置，而且能夠對被測試件及其缺陷進行“功能性”成像，獲得試件內部的電導率分布情況，從而及時、準確地發現缺陷并對其進行定位，尤其適用于對金屬板材的快速、大面積的非接觸性檢測。筆者在介紹生物感應式磁聲成像技術的基礎上，對MAT-MI正問題的研究現狀和MAT-MI無損檢測的研究現狀進行了綜述，并探討了將MAT-MI復合無損檢測技術應用于電導率各向異性金屬材料缺陷檢測的可行性，并分析了其所面臨的技術難點。

1 生物領域感應式磁聲成像技術簡介

2005年，美國明尼蘇達大學HE等[6]將磁感應技術和超聲斷層掃描成像技術進行融合，提出了一種新型的生物功能性成像方法——感應式磁聲成像技術。該技術通過靜磁場和脈沖交變磁場同時對成像目標進行電磁激勵，利用超聲換能器采集由被測組織所產生的磁聲信號，對磁聲信號進行分析計算，便可用于重建生物組織內部的電導率分布。該技術兼具生物電阻抗成像的高對比度和超聲斷層掃描成像的高空間分辨率(理論分辨率可達0.3 mm)的優勢，可避免屏蔽效應，在乳腺癌篩查[7]以及肝功能成像[8]等領域的可行性已得到了驗證。

1.1 成像原理

MAT-MI成像原理示意如圖1所示，將待測生物組織置于均勻分布的靜磁場中，在環形線圈中通入脈沖激勵電流，使其在組織內部產生一個與靜磁場方向平行的時變磁場，進而在組織內部感應出與激勵電流同頻率的渦流。同時，在靜磁場的作用下，感應渦流在組織內部產生頻率相同的洛倫茲力，從而引起待測組織內部帶電粒子的周期性局部振動，并以超聲波的形式向外傳播，形成磁聲信號[9]。利用超聲換能器在組織周圍采集磁聲信號并轉換成聲壓信號，再對其進行放大、濾波和存儲等處理后[10]，即可重建出反映生物組織生理功能變化的電導率分布圖。

圖1 MAT-MI成像原理示意

1.2 正問題的研究現狀

MAT-MI正問題是指在已知組織電磁特性的前提下，根據靜磁場、脈沖交變磁場以及邊界條件進行多物理場的耦合，獲得組織表面的初始聲壓分布。MAT-MI正問題流程圖如圖2所示，正問題可分為電磁場正問題和聲場正問題兩部分[11]：前者由感應渦流與靜磁場相互作用，引起生物組織內部帶電粒子的周期性局部振動，形成振動聲源；后者由振動聲源形成包含電磁特性信息的磁聲信號并向外傳播，從而引起組織內部聲壓的變化。

圖2 MAT-MI正問題流程圖

1.2.1 電磁場正問題

(1)磁激勵源

在MAT-MI的電磁場正問題中，通常由激勵線圈產生脈沖電磁激勵，并在成像目標內部感應出渦流，進而在其周圍產生可檢測的超聲信號。脈沖激勵信號的脈寬及功率直接影響著MAT-MI的成像分辨率[12]。雖然脈沖模式能夠定位聲源，但其測量精度和信噪比都較低，限制了其應用。為了克服上述不足，可采用基于連續正弦波的電磁激勵，產生的磁聲信號的幅度和相位都包含聲源的位置信息并遵循復平面中的矢量理論[13]。此外，還可采用不同的線圈構造多個磁激勵源，并采集與每個激勵源相對應的超聲信號，用以重建成像目標內部的電導率分布[14]。

(2)聲源的產生機制

在MAT-MI中，當激勵磁場的頻率遠小于兆赫茲級時，導電樣品中的位移電流遠小于導電電流，并且通常被忽略，故感應電流密度J(r,t)可由組織的電導率σ(r)和激勵磁場Bd(r)[15]來確定

·J(r,t)=·[-σ(r)φ(r,t)]-

(1)

式中：r為位置矢量；φ(r,t)為標量電勢；A(r,t)為磁矢勢。

(2)

在紐曼邊界條件J(r,t)·n=0(n為外邊界的單位矢量)的約束下，外邊界表面處的電流密度為0，對應于求解域內的每個參考點處的φ有唯一解[16]。在給定靜磁場的通量密度Bs(r)的情況下，洛倫茲力可表示為J(r,t)×Bs(r)。在電活性組織中，施加的磁場和電流之間的相互作用產生壓力分布，形成聲源，滿足式(3)[17]。

×[J(r,t)×Bs(r)]=

(3)

式中：E為電場強度。

利用式(3)可求解出組織內部的聲源分布，但該方法在不同電導率的邊界會產生奇異值。在電導率突變邊緣位置處聲源的數值較大，而在電導率分布均勻位置處的聲源為常量。采用積分正演方法[18]，可避免在電導率邊界上由奇異值造成的數值誤差。

磁聲信號的時頻特性反映了樣品的厚度，基于此特點可進行不同厚度介質的聲源求解和電導率重建[19]。此外，MAT-MI圖像重建的品質很大程度上取決于聲源分布，突變、緩變和附加聲壓分布都會影響圖像的重建品質[20]。

1.2.2 聲場正問題

在各向同性介質中，由成像目標所產生的磁聲信號滿足波動方程，如式(4)所示。

(4)

式中：p(r,t)為在位置r處，時間為t的聲壓；cs為組織內的聲速。

假設聲速均勻的條件下，利用脈沖源δ(t)進行激勵，使用格林函數可以導出超聲探測器在位置r0處測得的聲壓[21]為

(5)

式中：G(r0,r,t)是格林函數。

采用有限元法或者解析法求解式(5)可得到聲場的解[22]。利用時間反演算法，根據聲壓時間序列可重建出待測目標的電阻抗分布[23-24]。

考慮到超聲換能器對磁聲信號采集的影響，還可將超聲換能器的特性函數引入到聲壓求解過程中，使聲壓信號更接近于實際情況。對于聲學特性不均勻的待測組織，可利用有限元分析軟件計算生物組織內部的感應渦流，依據洛倫茲力散度聲源機制求解振動聲源分布，采用時域有限差分法求解成像目標的初始聲壓分布[25]。

1.2.3 電導率各向異性介質的正問題

第一步，判斷終點。由題意知，實際參加反應的酸的質量相等，根據“實際參加反應的酸的質量相等，則最終產生的H2質量相等”，得知Fe粉和Zn粉與酸反應產生的H2質量一樣多（三個圖的終點，Fe與Zn縱坐標一樣高）。

通常，在對MAT-MI正問題的研究中，大多數采用具有電導率突變的規則幾何模型來模擬分析振動聲源與聲壓信號的分布，只考慮成像目標邊界處電導率的變化，不考慮其內部電導率變化的影響[26]。然而，在實際應用中，超聲換能器檢測到的聲壓信號是從被測物體內部的邊界和內部聲源發出的所有超聲波信號的總和，只有當物體內部的電導率遠低于邊界的電導率時，才可以忽略內部電導率各向異性的影響[27]，否則在求解感應渦流密度的分布、聲源分布以及初始聲壓分布等時，必須考慮電導率各向異性的影響[28]。

例如，文獻[27]采用數值分析方法，研究了均勻磁場和非均勻磁場下電導率各向異性介質的磁聲效應，定量計算出導電模型中邊界處的聲源密度和初始聲壓分布；文獻[28]在組織聲學特性均勻的前提下，推導出了適用于各向異性組織的聲源以及聲場計算公式；文獻[29]建立了適用于各向異性組織的同心球和偏心球仿真模型，通過改變其電導率參數，求解正問題；文獻[30]建立了具有各向異性導電性的雙層同軸圓柱體數值模型，分析了在薄導電邊界層和均勻介質中的聲源分布，采用有限元分析法求解出了各向異性導電模型中的聲源密度分布；文獻[31]指出對于電導率不連續模型，可以預先濾掉邊界跳變以提高內外球體的聲源對比度；文獻[32]在外部環境相同的條件下，分別對二維電導率各向同性和各向異性的均勻薄層組織進行了MAT-MI試驗。

2 工業領域感應式磁聲無損檢測技術

金屬材料內部的缺陷會擾亂感應渦流的分布，因而通過檢測試件內部的電特性可以判定是否存在缺陷并對其定位[33]。MAT-MI無損檢測技術是一種通過繪制被測試件內部電導率分布圖進行無損檢測的新方法，通過分析磁聲效應引起的電阻抗特性變化來定量分析試件的缺陷情況，具有毫米級的空間分辨率。

2.1 檢測原理

MAT-MI無損檢測技術來源于生物MAT-MI成像，采用電磁方法來誘導渦流。金屬材料的MAT-MI無損檢測原理示意如圖3所示，永磁鐵提供靜磁場，向電磁超聲換能器的折線線圈中通入方向與靜磁場方向垂直的高頻交變電流，從而在線圈的下方、待測薄板的內部感應出與激勵電流頻率相同、方向相反或相同的渦流，同時在其周圍產生一個交變磁場，感應渦流分別與靜磁場、交變磁場相互作用產生靜態洛倫茲力和交變洛倫茲力。待測薄板內部的移動電荷受到總洛倫茲力的作用，產生周期性的質點振動，形成磁聲信號并向外傳播。當試件表面存在缺陷時，產生的磁聲信號的特性會發生相應的改變，利用換能器在試件周圍采集磁聲信號，傳入計算機內進行分析計算，即可重建出材料的電導率空間分布，據此判斷被測試件的缺陷情況并對其進行定位。

圖3 金屬材料的MAT-MI無損檢測原理示意

2.2 MAT-MI無損檢測研究現狀

目前，對MAT-MI無損檢測的研究尚處于起步階段，但其可行性已經得到了驗證。例如，文獻[33]建立了適用于鋼板檢測的MAT-MI有限元仿真模型，系統分析了磁聲信號的產生機理并推導出了聲波振動公式，同時探討了磁致伸縮效應對MAT-MI成像的影響。文獻[34]研制出一種MAT-MI無損檢測探頭，為磁聲信號確定了較佳的波模式，實現了對鋁板表面長10 mm、深2 mm條形缺陷的快速檢測，驗證了MAT-MI用于金屬檢測和缺陷識別的可行性。文獻[35]在原有理論的基礎上，設計并搭建了一種無需永磁體的MAT-MI硬件系統，以銅片為被測樣本，通過試驗和數值仿真結合的方式驗證了該方法的正確性與可行性。文獻[36]采用感應式磁聲發射技術在不同厚度的鋁合金板材表面進行了磁聲信號激發試驗，分析了激發線圈結構和提離距離對磁聲信號的影響。文獻[37]將磁性粒子引入到MAT-MI成像中，根據格林函數推導出單個粒子的受力公式，并探討了粒子分布與粒子所受磁場力之間的關系。

上述針對MAT-MI無損檢測技術的研究多是建立在被測材料電導率各向同性的前提下[33-37]，而在實際情況中，金屬材料的電導率分布往往是各向異性的。如前所述，電導率的各向異性對感應渦流的密度分布、振動聲源的求解以及聲壓信號的分布均有影響。若采用各向同性的電導率模型進行正問題的分析則會引入較大誤差。因此，深入研究電導率各向異性金屬材料的特征及其對振動聲源和初始聲壓分布的影響，對于MAT-MI無損檢測技術的研究具有重要意義。

2.3 技術難點

2.3.1 換能器的設計

感應式磁聲換能器受多重物理場耦合的影響，其換能機理比較復雜，對其進行合理設計是MAT-MI無損檢測技術的難點之一。電磁超聲換能器可產生表面波、橫波和縱波，不同形狀、不同尺寸的激勵線圈所激發的超聲波形不同，并且線圈之間的間距、橫截面的大小以及線圈與試件之間的距離影響著換能器的效率。同時，為了提高換能器的轉換效率，應采用較大功率的電磁信號進行激勵[38]。

2.3.2 電導率各向異性金屬材料中聲源的求解

各向異性表現為晶體材料的物理性質隨觀測方向的不同而發生變化，是晶體材料有別于非晶體材料的一個重要標志，而絕大多數的金屬材料屬于晶體材料。金屬材料電導率的各向異性指的是由不同金屬原子排列引起的不同方向上的電導率不同，而且由于材料所含雜質不同，其各向異性的程度也不相同。在電導率各向異性的介質中，電導率的表達是張量形式[39]，因而使聲源的求解過程變得更加復雜。

2.3.3 磁聲信號的后處理

采用電磁方法對被測件進行激勵，產生的磁聲信號容易受到電磁噪聲的干擾，降低換能器的檢測效率。利用數字信號處理技術對采集到的磁聲信號進行濾波、包絡提取和幅值調節等預處理，可以提高磁聲信號的穩定性和信噪比，從而進一步提高換能器的轉換效率。

3 結語

隨著工業領域對無損檢測技術日益增長的需求，多模態無損檢測技術被越來越多地使用，不同檢測技術的結合可以提高檢查的可靠性，開發復合式的無損檢測系統是今后工業無損檢測領域的主要發展趨勢。MAT-MI無損檢測技術是一種多物理場耦合的新型動態無損檢測方法，其將電磁學、聲學、力學耦合在一起，使用電磁方法誘導被測金屬材料中產生感應渦流，材料中激發出的磁聲信號可提供有關缺陷的電特性信息，并用于進一步的電導率圖像重建。MAT-MI無損檢測技術可以在沒有直接接觸的情況下有效地檢測樣品表面或者內部的缺陷，具有高靈敏度、高分辨率、非接觸、無需耦合劑、可進行大范圍快速檢測等優點。對于電導率各向異性金屬材料的缺陷檢測，則是MAT-MI無損檢測技術的研究重點和難點之一。通過建立電導率各向異性模型，并采用有限元分析技術對其進行MAT-MI正問題的數值仿真，可為有效地解決此問題提供思路和依據。