電磁超聲單向表面波對鋁板微小缺陷的檢測

劉素貞，董碩，方正，張闖

電磁超聲單向表面波對鋁板微小缺陷的檢測

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家重點實驗室(河北工業大學)，天津 300130；2. 河北省電磁場與電器可靠性重點實驗室(河北工業大學)，天津 300130；3. 河北交通職業技術學院，河北石家莊 050035)

電磁超聲表面波被廣泛用來檢測表面或近表面缺陷。雙向表面波電磁超聲換能器(Electromagnetic Acoustic Transducer, EMAT)會在兩側同時產生能量較低且均衡的超聲波，而微小缺陷(缺陷深度遠小于表面波波長)的反射信號非常微弱，易被噪聲淹沒，根據回波信號，難以識別和定位缺陷。為此基于惠更斯疊加原理設計了單向表面波EMAT，對其聲場進行了有限元分析；研究了增強側表面波遇到不同缺陷的響應特性，得出缺陷深度、角度與反射波幅值的關系；并對含不同微小缺陷的鋁板進行了實驗研究。仿真和實驗結果表明，所提方法提高了表面波檢測微小缺陷的靈敏度，并實現了缺陷位置及深度的量化。

單向表面波；有限元法；缺陷響應特征; 電磁超聲換能器

0 引言

鋁合金是工業中應用最廣泛的一類有色金屬結構材料，已大量應用在航空、航天、汽車、船舶工業中。當該結構材料出現缺陷(裂紋、磨損)，若未及時發現并采取相應措施，這些損傷將會在構件后期服役過程中繼續擴張，造成災難性后果。

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體中激發和接收超聲波，可以方便地激發各種類型的超聲波，且結構簡單, 能夠實現缺陷的在線檢測[1-4]。其中，體波可以很好地檢測試件內部缺陷，但對表面及近表面缺陷存在檢測盲區[5-6]；而表面波在傳播時其能量主要集中在試件表面下一個波長的深度，適用于厚板的表面開口缺陷檢測[7-10]。

雙向EMAT產生的超聲波沿換能器兩側傳播，且能量較低。當缺陷深度遠小于表面波波長時，其缺陷反射信號幅值過小，易被噪聲淹沒，進而給檢測帶來困難，為此，本文基于惠更斯疊加原理設計了單向表面波EMAT。

國內外學者對雙向EMAT的設計和優化做了大量的研究工作，但是對激發單向超聲波的EMAT研究相對較少，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，其在使用過程中需要在換能器和待測試件間加入耦合劑，對表面光潔度的要求較高。文獻[11]和[12]設計了一種用周向蘭姆波檢測化學管道腐蝕的干耦合壓電換能器系統，實現了單向輻射的軸對稱模式的導波，并且表明頻率約為70 kHz的軸對稱模式導波可用于長距離管道的檢測；文獻[13]提出了一種基于時間延遲的周期性線性陣列模型，用于平板的蘭姆波產生和接收。在陣列設計中應用干涉原理，實現了單邊導波的激發和接收；文獻[14]基于時延周期環形陣列，通過對環形陣列的時延曲線和電連接方案的合理配置，實現管道無損檢測的空心柱體的軸對稱模式單向周向導波的激勵，并分析了壓電單元的數目、間距和寬度等對導波激發效率的影響；文獻[15]設計了磁致伸縮導波換能器，通過反相疊加產生了單一方向的縱波，但是信號削弱效果并不明顯，削弱側仍然有較大的回波；文獻[16]和[17]提出了一種能夠單向線聚焦的線圈，通過對曲折線圈的間距設計，使體波在一側得到增強，另一側得到削弱，同時實現增強側體波在一點的聚焦，提升了體波檢測缺陷的靈敏度。

本文采用有限元軟件COMSOL Multiphysics對用于鋁板表面檢測的單向表面波EMAT的發射-接收過程進行多物理場有限元建模和仿真分析，得到了其聲場的主要特征；仿真分析了不同微小缺陷的回波響應特性，并研究了缺陷深度、角度與反射系數的關系。最后，通過搭建的實驗系統對設計的電磁超聲單向表面波換能器進行了實驗驗證。

1 單向表面波EMAT有限元模型

采用垂直磁場在鋁板中激發單向表面波，鋁板寬、高分別為200 mm、40 mm；換能器結構為雙曲折線圈+矩形磁鐵，激發頻率為 1 MHz；永磁鐵寬、高為20 mm、15 mm，與鋁板距離為0.5 mm；導線寬、高為0.20 mm、0.05 mm，線圈中心坐標為(0,0)，提離距離為0.1 mm；表面波長=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 單向表面波收發一體的電磁超聲換能器示意圖

當兩個或者兩個以上的聲源在同一試件內傳播時，試件內的超聲波幅值滿足惠更斯疊加原理。曲折線圈EMAT中的每一根導線相當于一個點聲源。當兩列頻率相同、振動方向相同的波，在相遇點的相位差恒定時，合成波場中會出現某些點的振動一直加強，某些點的振動一直減弱(或完全消失)。

單向表面波的激發原理如圖2所示。在線圈A、B中通入周波數、幅值相同，相位相差90°的高頻脈沖電流。在=時刻(為表面波的周期)，線圈B正下方的質點開始產生超聲波；在=+/4時刻，線圈A正下方的質點開始產生超聲波，此時線圈B所產生的超聲波已經沿傳播方向傳播了/4。在線圈中心左側，線圈A、B激勵產生的超聲波相位相同，合位移為線圈A或B單獨產生超聲波位移的2倍，即線圈中心左側為增強側；在線圈中心右側，兩線圈激勵產生的超聲波位移相位相反，超聲波相互抵消，合位移為0，即線圈中心右側為削弱側。但實際由于靜態偏置磁場在換能區域內分布不均勻，導致兩個線圈激發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原理

通過上述分析可知，當線圈A中的電流相位滯后線圈B中的電流相位時，超聲波能量將主要沿線圈中心的左側傳播；反之，超聲波能量將主要沿線圈中心的右側傳播。因此，可以通過控制兩個線圈電流的相位來控制聲波主能量的傳播方向，進而利用增強側的高幅值聲波檢測微小缺陷。

2 聲場仿真分析

采用直角坐標系建立雙向表面波EMAT有限元模型，換能器結構為單曲折線圈+矩形磁鐵，線圈間距為/2；其他相關參數和圖1所示單向表面波EMAT一致。圖3為14 μs時刻，雙向表面波EMAT和單向表面波EMAT在完好試件激發的超聲波聲束的面內位移分布圖。從圖中可以看出，雙向表面波EMAT產生沿換能器兩側傳播的能量較低的超聲波；而單向表面波EMAT只在單側激發出明顯的超聲波，且能量較強。

圖3 14 μs時刻雙向EMAT和單向EMAT激發聲波的位移分布

圖4表示當鋁板無缺陷，單向表面波EMAT產生的聲波能量主要沿線圈中心右側傳播時，接收點C(60,-0.2)和D(-60,-0.2)以及雙向表面波EMAT激發聲波在C、D點的面內位移。從圖4中可以看出，雙向表面波EMAT產生沿換能器兩側傳播位移幅值相當的超聲波；單向表面波EMAT增強側超聲波位移幅值接近雙向表面波EMAT激發聲波的兩倍，而相對于增強側，削弱側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點的面內位移

3 缺陷檢測特性分析

3.1 裂紋缺陷的定位分析

圖5 缺陷P1、P3的回波信號

圖6 缺陷P2、P3的回波信號

3.2 裂紋缺陷的量化分析

超聲無損檢測中不僅需要定位缺陷，定量判斷缺陷尺寸也至關重要。由于缺陷越深，反射信號的能量越強，所以可以根據增強側缺陷的反射波能量對缺陷進行定量分析。

為消除每次實驗入射信號及檢測位置不同的影響，定義反射系數：

圖7 單向表面波收發分開的電磁超聲換能器組示意圖

圖8 反射系數隨裂紋深度變化曲線

取裂紋角度為90°時的反射系數離散點進行曲線擬合。反射系數為自變量，裂紋深度與波長之比為變量，擬合結果如圖9所示，其中擬合曲線表達式為

從圖9可以看出，離散點的曲線擬合結果能夠很好地表達裂紋深度與反射系數之間的函數關系。因此，可以將其作為裂紋深度量化的一個依據。

圖9 θ為90°時裂紋深度與反射系數擬合曲線

4 實驗結果及分析

選用電磁超聲單向表面波對含不同缺陷的鋁板進行實驗研究。實驗采用圖1所示的單向表面波EMAT，其中鋁板的寬×長×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。實驗系統如圖10所示，該系統由Ritec RAM-5000的延時功能產生相位差為90°的高頻脈沖信號，由其兩個輸出通道輸出，經相應阻抗匹配后，分別施加在線圈A、B上，示波器采集經濾波放大后的感應電壓信號。

表1 含不同缺陷的鋁板

圖10 單向表面波檢測的實驗布設

對線圈相位進行設置，使EMAT激發的大部分超聲波能量分別沿線圈中心左、右側傳播，圖11、12分別為1、2號鋁板的檢測回波信號。

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

圖11 1號鋁板的缺陷回波信號

對比圖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。根據圖11(b)中缺陷與左端面回波的時間差計算得缺陷距離線圈中心左側28.27 mm，與實際缺陷位置相對誤差為5.77%。

在估算所得缺陷位置的基礎上，依據圖7所示單向表面波一發一收EMAT對實驗系統進行重新連接，進而根據接收信號對左右兩側裂紋深度進行了量化，其結果見表2。其中相對誤差所指為實驗所測缺陷深度相對實際缺陷深度的誤差。

表2 左、右側缺陷深度分析結果

圖12為2號鋁板的檢測回波信號。從圖12可以看出，當線圈中心右側為增強側時，EMAT只接收到右端面回波，說明線圈中心右側不存在缺陷；當線圈中心左側為增強側時，根據回波信號可知在線圈中心左側存在兩個缺陷，與實際情況一致。根據圖12對兩個缺陷進行了定位，結果見表3。

圖12 2號鋁板的缺陷回波信號

實驗結果表明，單向表面波可以很好地對鋁板微小缺陷進行識別、定位；通過反射系數與裂紋深度的關系可以比較準確地對裂紋深度進行量化；但是由于測量結果的讀取誤差以及板材實際參數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的定位分析結果

5 結論

本文對鋁板單向表面波電磁超聲換能器進行了有限元分析，研究了單向表面波EMAT的聲場特性；仿真分析了不同缺陷回波的響應特征以及缺陷深度、角度與反射系數的關系；最后采用電磁超聲單向表面波檢測系統對含不同微小缺陷的鋁板進行了實驗研究。仿真和實驗結果表明，單向表面波可以很好地對鋁板微小缺陷進行識別定位；通過反射系數與裂紋深度的關系可以比較準確地對裂紋深度進行量化，為微小缺陷的定量檢測提供了依據。

[1] XIE Y, YIN L, LIU Z, et al. A novel variable-length meander-line-coil emat for side lobe suppression[J]. IEEE Sensors Journal, 2016, 16(16): 6279-6287.

[2] 李明亮, 鄧明晰, 高廣健. EMAT激發超聲蘭姆波的模式展開分析[J]. 聲學技術, 2013, 32(6): 49-50.

LI Mingliang, DENG Mingxi, GAO Guangjian. Modal expansion analysis of ultrasonic Lamb waves generated by EMAT[J]. Technical Acoustics, 2013, 32(6): 49-50.

[3] 劉素貞, 劉亞洲, 張闖, 等. SH導波在鋼板缺陷檢測中的傳播特性[J]. 聲學技術, 2017, 36(2): 140-146.

LIU Suzhen, LI Yazhou, ZHANG Chuang, et al. Propagation characteristics of SH guided wave in steel plate defect detection[J]. Technical Acoustics, 2017, 36(2): 140-146.

[4] 劉素貞, 孟學艷, 張闖, 等. 金屬材料缺陷的電磁超聲/渦流復合檢測技術研究[J]. 聲學技術, 2018, 37(1): 43-50.

LIU Suzhen, MENG Xueyan, ZHANG Chuang, et al. Research on electromagnetic ultrasonic/eddy current composite inspection technology for metal material defects[J]. Technical Acoustics, 2018, 37(1): 43-50.

[5] PEI C, FUKUCHI T, ZHU H, et al. A study of internal defect testing with the laser-EMAT ultrasonic method[J]. IEEE transactions on ultrasonics, ferroelectrics, and frequency control, 2012, 59(12): 2702-2708.

[6] HAN S W, CHO S H, JANG G W, et al. Non-contact inspection of rail surface and internal defects based on electromagnetic ultrasonic transducers[J]. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 2015: 25(2): 56-58.

[7] WANG S J，KANG L，LI Z C，et al. 3-D modeling and analysis of meander-line-coil surface wave EMATs[J]. Mechatronics, 2012, 22(6): 653-660.

[8] 張志鋼, 闕沛文, 雷華明. 表面波電磁聲換能器及電聲學特性的研究[J]. 聲學技術, 2006, 25(2): 119-123.

ZHANG Zhigang, QUE Peiwen, LEI Huaming. Electromagnetic transducers for surface wave generation and their electroacoustic characteristics[J]. Technical Acoustics, 2006, 25(2): 119-123.

[9] 康磊, 金昱, 潘峰, 等. 曲折線圈型電磁超聲表面波換能器的優化設計[J].儀表技術與傳感器, 2015(6): 1-4.

KANG Lei, JIN Yu, PAN Feng, et al. Optimal design of meander-line-coil surface wave electromagnetic acoustic transducers[J]. Instrument Technique and Sensor, 2015(6): 1-4.

[10] LI Q, REN S. A real-time visual inspection system for discrete surface defects of rail heads[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2012, 61(8): 2189-2199.

[11] ALLEYNE D N, CAWLEY P. The excitation of Lamb waves in pipes using dry-coupled piezoelectric transducers[J].Journal of Nondestructive Evaluation, 1996, 15(1): 11-20.

[12] ALLEYNE D, LOWE M, CAWLEY P. The inspection of chemical plant pipework using lamb waves: defect sensitivity and field experience[M]//Review of Progress in Quantitative Nondestructive Evaluation. Berlin: Springer, 1996: 1859-1866.

[13] ZHU W, ROSE J L. Lamb wave generation and reception with time-delay periodic linear arrays: a BEM simulation and experimental study[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics & Frequency Control, 1999, 46(3): 654-664.

[14] ZHU W. A finite element analysis of the time-delay periodic ring arrays for guided wave generation and reception in hollow cylinders[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics Ferroelectrics & Frequency Control, 2001, 48(5): 1462-70.

[15] YAMASAKI T, TAMAI S, HIRAO M. Arrayed-Coil EMAT for Longitudinal Wave in Steel Wires[J]. 1998 IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings, 1998, 32(1): 789-792.

[16] OGI H, HIRAO M, OHTANI T. Line-focusing of ultrasonic sv wave by electromagnetic acoustic transducer[J]. Journal of the Acoustical Society of America, 1998, 103(5): 2411-2415.

[17] OGI H, HIRAO M, OHTANI T. Line-focusing electromagnetic acoustic transducers for the detection of slit defects[J]. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, 1999, 46(2): 341-346.

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

國家自然科學基金(51777052)、河北省自然科學基金(E2016202260，E2017202055)和天津市自然科學基金(16JCYBJC19000)資助項目

劉素貞(1969－), 女, 河北大城人, 博士, 教授, 博士生導師,研究方向為工程電磁場與磁技術。

劉素貞, E-mail: szliu@hebut.edu.cn