Barker碼脈沖壓縮技術在鋁合金電磁超聲表面波檢測的應用研究*

程 豆，石文澤，盧 超，2*，陳 果，陳 堯，曾光登

(1.南昌航空大學無損檢測教育部重點實驗室，江西 南昌 330063；2.贛南師范大學江西省數值模擬與仿真技術重點實驗室，江西 贛州 341000；3.西安航天復合材料研究所，陜西 西安 100190)

高強度鋁合金在航空宇航、船舶、軍工武器裝備、軌道交通等領域發揮著不可替代的作用，為了提高鋁合金鑄鍛件質量等級和降低廢品率，有必要在高溫鑄鍛造過程中進行邊裂和角裂的在線、快速無損檢測，并據此調整加工工藝參數，實現高溫狀態下的缺陷抑制和消除，這具有重要的意義[1]。

用于鋁合金鑄鍛件質量檢測的常見無損檢測技術有超聲檢測[1]、渦流檢測[2]和光學CCD[3]等。超聲檢測中的橫波和縱波主要沿著試樣厚度方向進行傳播，可以用于試樣內部缺陷檢測[4]，由于儀器電路的限制，體波檢測通常存在3 mm～5 mm的檢測盲區，無法實現對工件表面缺陷的檢測。表面波具有單點激勵、長距離檢測的優勢，可在距工件表面兩倍波長深度范圍內傳播且傳播距離長，常用于金屬表面裂紋檢測[5-6]。由于渦流檢測和光學CCD具有點對點檢測、效率低、儀器成本高或難以實現現場在線快速檢測等缺點，因此其在金屬鑄鍛件的在線質量檢測中優勢不及表面波。傳統的壓電超聲表面波需要配合特定角度的楔塊使用，對工件表面粗糙度要求較高，高溫環境下存在耦合劑涂抹難、易揮發、持續時間短等缺點，超聲波幅值受接觸壓力和耦合狀態影響較大[7]，很難用于表面粗糙工件結構完整性的在線快速檢測。電磁超聲(Electromagnetic Acoustic Transducer，EMAT)檢測技術具有非接觸式檢測、無需耦合劑、對表面粗糙度要求不高等優點[5]，被廣泛用于鑄鍛件表面缺陷檢測，尤其是高溫鋁合金表面缺陷檢測。

在高溫鑄鍛造過程中，鑄鍛件的超強熱輻射、高衰減和鑄鍛現場的強電磁干擾，使得超聲回波在高溫、大提離的情況下無法獲得較好的信噪比。雖然增加同步平均次數可以降低噪聲，但是要求EMAT與被測表面有較長時間的接觸，這樣不僅會導致EMAT功能性損壞，而且不易實現實時快速檢測。因此，如何優化EMAT設計參數和引入先進信號處理方法來提高電磁超聲回波信噪比成為當下研究的熱點。

目前，國內外學者已針對EMAT的優化設計開展了廣泛的研究。Mirkhani K等[8]建立了有限元模型對跑道線圈EMAT進行優化，并研究了磁線寬度比對超聲信號幅值的影響，結果表明，當永磁體寬度比線圈寬度大20%時，EMAT激勵的超聲波幅值可提高10%。Kang L等[9]建立了三維表面波EMAT有限元模型，并采用正交試驗方法研究不同EMAT設計參數對表面波的影響，使優化后EMAT的信號幅值提高了25.2%。WU Y等[10]建立了二維螺旋線圈EMAT有限元模型，采用正交試驗法研究EMAT設計參數對其換能效率和提離靈敏度的影響，發現磁線距離對提離靈敏度影響顯著，當提離為1 mm時，EMAT換能效率可以提高125%?？道诘萚11]分別從EMAT永磁體尺寸和線圈中導線的分布方式兩個角度對表面波EMAT進行優化，使其在一發一收和收發一體的模式下，信號幅值分別提高了39%和86.2%。時亞等[12]建立了多根分裂曲折線圈接收EMAT的有限元模型，并采用正交試驗表獲取表面波EMAT的最佳參數組合，使接收信號幅值提高了50.8%，可以有效檢出鋼軌踏面裂紋。張金等[13]主要通過對永磁體尺寸、曲折線圈設計參數、線圈層數及層間距、線圈連接方式等因素進行優化，得到了EMAT換能效率最高的參數組合。王淑娟等[14]采用正交試驗設計對接收EMAT設計參數進行了優化，使優化后EMAT接收電壓幅值為優化前的1.41倍。金亮[15]將多支持向量機的代理模型應用到EMAT優化設計，可將檢測信號幅值提升約25%。

然而，由于單純通過EMAT優化設計對檢測回波信噪比的提升效果比較有限，因此有必要將先進的信號處理手段如自適應濾波[16]、解析小波閾值降噪[17]、希爾伯特變換[18]、小波變換[19]、經典模態分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)等[20]應用到超聲檢測中，進一步提高回波信噪比。為了實現高溫、大提離條件下在線、快速檢測，部分學者將脈沖壓縮技術應用到EMAT中，獲得了較好的應用效果。如Ho K S等[21]將脈沖壓縮技術與寬頻響應特性的EMAT進行結合，可實現金屬板厚度的快速在線測量和高分辨率的超聲成像。Iizuka Y[22]設計了基于線性調頻脈沖壓縮的高精度EMAT檢測系統，可以實現最大5 mm提離時的高溫連鑄坯在線檢測。冷濤等[23]開發了一套集成線性調頻脈沖壓縮的EMAT檢測系統，可以提高檢測回波信噪比和減小檢測盲區。魏東等[24]將非線性調頻脈沖壓縮應用到空氣耦合超聲C掃成像中，可有效改善空氣耦合超聲檢測效果。周正干等[25]使用窄帶空氣耦合超聲換能器分別就線性調頻、非線性調頻及相位編碼脈沖壓縮方法的關鍵參數對壓縮效果的影響開展了實驗研究，獲得了脈沖壓縮參數選取準則。石文澤等[26-27]將Barker碼脈沖壓縮技術應用于鋁合金薄板和鋼板的電磁超聲SH導波檢測中，分析了編碼激勵參數和EMAT設計參數對檢測效果的影響，并驗證了Barker碼脈沖壓縮技術在大提離、快速檢測和小缺陷檢測的優勢。然而，關于如何將Barker碼脈沖壓縮技術應用于曲折線圈EMAT，并獲取最佳檢測回波信噪比和分辨率有待于進一步研究，特別是關于Barker碼激勵參數和EMAT設計參數與脈沖壓縮效應之間的影響規律有待進一步明確，以確定最佳參數組合。

本文針對曲折線圈EMAT應用于高溫鋁合金表面缺陷檢測中超聲回波信噪比低這一問題，建立了基于Barker碼脈沖壓縮技術的表面波EMAT檢測過程數值模型，采用正交試驗表，獲取了Barker碼激勵參數和EMAT設計參數的最佳組合，并通過實驗驗證了基于Barker碼脈沖壓縮技術的曲折線圈EMAT在大提離、無同步平均條件下鋁合金表面小裂紋檢測的優勢。

1 曲折線圈EMAT檢測過程數值建模

1.1 曲折線圈EMAT配置形式

基于洛倫茲力的曲折線圈EMAT激發表面波的原理如圖1所示，EMAT主要包括永磁體、曲折線圈和鋁合金試樣。當曲折線圈中通以大功率射頻電流時，試樣表面可以感生出頻率相同、方向相反的脈沖電渦流。渦流在靜磁場和交變磁場作用下產生變化的洛倫茲力，洛侖茲力帶動試樣表面質點的高頻振動，并沿試樣表面以表面波的形式傳播。表面波接收過程是其發射過程的逆過程[12]。

圖1 曲折線圈EMAT換能機理示意圖

1.2 脈沖壓縮及旁瓣抑制過程

目前已知最長的Barker碼只有13位，它的序列是[1，1，1，1，1-1，-1，1，1，-1，1，-1，1][28]，采用正弦脈沖串作為Barker碼信號的碼元，得到曲折線圈EMAT的激勵電流信號，如圖2(a)所示。

圖2 Barker碼激勵波形、脈沖壓縮及旁瓣抑制波形

圖2(b)為Barker碼信號進行脈沖壓縮后的信號，脈沖壓縮的過程即為求取自相關函數的過程，峰值旁瓣水平(Peak Sidelobe Level，PSL)為-21.9 dB。由圖2(b)可知，主旁瓣比明顯增大，且旁瓣均勻對稱地分布在主瓣的周圍。脈沖壓縮技術雖然能提高超聲信號的信噪比，但仍存在一定幅值的距離旁瓣[26]。

將脈壓信號經過一定次數時延后，與相應的加權系數相乘，再將所有的加權輸出相加，可達到抑制旁瓣的目的[29]。圖2(c)為經過加權抑制旁瓣的結果，時延次數為12次，PSL為-33.3 dB。與圖2(b)相比，PSL降低了-11.4 dB。

增加延遲線的節數，可擴展旁瓣抑制范圍[26]。圖2(d)為經38次時延旁瓣抑制后的結果，PSL為-45 dB，相比圖2(c)，PSL降低了-11.7 dB。經過擴展旁瓣抑制范圍，可進一步提高超聲回波的信噪比。

綜上所述，黃芩莖葉黃酮能夠緩解VM小鼠心功能，降低炎癥反應，具有一定的心臟保護作用，其作用機制可能是通過影響Th17/Treg細胞免疫平衡而發揮作用的，但關于黃芩莖葉黃酮治療VM是否與其他通路有關，仍需后續進一步研究。

1.3 曲折線圈EMAT檢測過程有限元模型

圖3為曲折線圈EMAT的設計參數示意圖，鋁合金試樣寬度Ws、高度Hs分別為150 mm、20 mm。當相鄰兩導線之間的距離L為波長λ的一半時，曲折線圈EMAT可以產生表面波[12]。曲折線圈由14匝、每匝4分裂的銅導線組成，導線間距d1為0.3 mm，匝間距d2為1.5 mm。接收線圈與發射線圈的間距ht為0.2 mm。Barker碼信號的碼元中心頻率fs為1 MHz。EMAT設計參數和Barker碼信號參數及其取值如表1所示。在永磁體下方設置厚度為0.1 mm的銅背板，用于降低EMAT的提離敏感性，同時可以避免在永磁體中產生超聲波，有利于提高超聲回波信噪比。

圖3 曲折線圈EMAT設計參數示意圖

表1 曲折線圈EMAT設計參數和Barker碼信號參數及其取值

采用有限元商業軟件，建立曲折線圈EMAT檢測過程二維有限元模型，如圖4所示。永磁體、鋁合金試樣和曲折線圈均采用映射網格，網格單元大小分別為0.5 mm、0.3 mm和0.01 mm，空氣域采用自由三角形網格，網格單元大小為2 mm，最大計算時間步長為0.005 μs。考慮到集膚效應，需要在試樣上邊界設置邊界層網格，用于換能區域的網格細分。有限元模型中的材料電磁學參數如表2所示。

圖4 曲折線圈EMAT有限元模型

表2 有限元模型中材料電磁學參數

圖5(a)是中心頻率fs為1 MHz、碼元周期T為3的13位Barker碼激勵信號。圖5(b)為曲折線圈EMAT有限元模型計算得到的開路感生電壓信號，圖5(c)為開路感生電壓經脈沖壓縮后的信號，圖5(d)為圖5(c)經旁瓣抑制后得到的脈壓信號。對比圖5(c)和圖5(d)可知，經過38次時延旁瓣抑制后，旁瓣明顯減小。圖5(e)為一次端面回波經旁瓣抑制后的上包絡線，經過歸一化處理，計算得到-6 dB法(即半高度法)的主瓣寬度為6.7 μs。由圖5(b)和圖5(e)可知，Barker碼脈沖壓縮技術可使主瓣峰值增大和主瓣寬度減小。

圖5 曲折線圈EMAT開路感生電壓經脈沖壓縮及旁瓣抑制后的結果

2 曲折線圈EMAT優化設計及仿真分析

以曲折線圈EMAT接收的開路感生電壓信號經過脈沖壓縮后的主瓣峰值和主瓣寬度為研究指標，采用正交試驗表L27(37)，得到EMAT設計參數和Barker碼信號參數對開路感生電壓經過脈沖壓縮及旁瓣抑制后的主瓣峰值和主瓣寬度的影響曲線如圖6所示。由圖6可知，對主瓣峰值而言，主瓣峰值隨著碼元周期T、永磁體高度Hm、銅背板-接收線圈距離h1增大而增大，隨著發射線圈-試樣距離h2、導線寬度a、導線高度b的減小而增大，永磁體寬度Wm對主瓣峰值的影響不大。上述參數對主瓣峰值的影響次序為T＞Hm＞h1＞h2＞a＞b＞Wm。對主瓣寬度而言，主瓣寬度隨著碼元周期T、永磁體寬度Wm增大而增大，隨永磁體高度Hm增大而減小，導線寬度a、導線高度b、銅背板-接收線圈距離h1、發射線圈-試樣距離h2對主瓣寬度的影響不大。上述參數對主瓣寬度的影響次序為T＞Wm＞Hm＞h2＞h1＞a＞b。

根據圖6，分別選出脈沖壓縮及旁瓣抑制后的主瓣峰值最高和最低組合，如表3所示。由于正交試驗L27(37)組合中均沒有主瓣峰值最高/最低參數組合，故選用上述兩組參數組合分別進行數值計算。有限元計算結果如表3所示，正交試驗27組組合的主瓣峰值均小于最高組合對應的幅值(24.56 mV)，均大于主瓣峰值最低組合對應的幅值(0.09 mV)。

表3 EMAT正交試驗主瓣峰值最高/最低參數組合

根據圖6，分別選出脈沖壓縮及旁瓣抑制后的主瓣寬度最大和最小組合，如表4所示。由于正交試驗L27(37)組合中均沒有主瓣寬度最大/最小參數組合，故選用上述兩組參數組合分別進行數值計算。有限元計算結果如表4所示，正交試驗27組組合的主瓣寬度均小于等于最大組合對應的主瓣寬度(9.6 μs)，均大于等于最小組合對應的主瓣寬度(5.7 μs)，且最小組合相對于最大組合，主瓣寬度降低了40.6%。

圖6 EMAT設計參數和Barker碼信號參數對脈沖壓縮后主瓣峰值/主瓣寬度的影響

表4 EMAT正交試驗主瓣寬度最大/最小參數組合

3 實驗驗證

曲折線圈EMAT實驗系統框圖如圖7所示。由信號發生器產生中心頻率為0.94 MHz的猝發音脈沖串或13位序列和不同碼元周期的Barker信號，經過功率放大器進行電流放大和阻抗匹配后，作用于發射EMAT，用于激發超聲波。當接收EMAT接收到超聲回波信號后，經接收阻抗匹配網絡、無源濾波器、前置放大器等濾波降噪和放大處理后，通過數據采集卡進行模數轉換，傳送至PC機，在LabVIEW軟件界面實現超聲回波信號的顯示和存儲。無源濾波器的帶寬范圍為0.1 MHz～3.0 MHz，在LabVIEW軟件界面上設置高、低截止頻率分別為1.2 MHz、0.8 MHz，前置放大器的增益為59 dB。EMAT激勵和接收線圈均采用PCB制作的14匝、每匝4分裂的曲折線圈。由于PCB加工工藝的限制，曲折線圈導線寬度a、導線高度b和導線間距d1分別為0.15 mm、0.035 mm和0.3 mm。鋁合金試樣的尺寸為長400 mm×寬50 mm×高30 mm。

圖7 曲折線圈EMAT實驗系統組成框圖

采用表3和表4給出的四組參數組合，分別制作EMAT探頭并進行實驗驗證。圖8(a)為主瓣峰值最高參數組合EMAT對應的原始超聲A掃信號。為了防止持續時間較長的電磁串擾對脈沖壓縮結果的影響，去除圖8(a)信號中的電磁串擾部分，得到的超聲回波信號如圖8(b)所示。圖8(c)為圖8(b)信號經過脈沖壓縮處理后的脈壓信號。圖8(d)和圖8(e)分別為經過旁瓣抑制后的主瓣峰值最高和最低參數組合對應的脈壓信號。取一次端面回波經過脈沖壓縮及旁瓣抑制后的主瓣信噪比進行比較，主瓣峰值最高參數組合對應的信噪比可達42.1 dB，與主瓣峰值最低參數組合對應的信噪比相比，提高了22.1 dB。其中信噪比為最大不失真聲音信號強度與同時發出的噪音強度之間的比率，計算公式為

式中:Vp為信號最大電平，Vn為噪聲電平，取整個信號的均方根[30]。

由于實驗所用的鋁合金試樣寬度為50 mm，厚度為30 mm，而EMAT探頭中曲折線圈長度為50 mm，故根據表面波的產生條件，不是真正嚴格意義上的表面波，會受到鋁合金試樣有限邊界的限制，進而產生如圖8(d)所示的高階模態導波。

圖8 主瓣峰值最高/最低參數組合EMAT對應的實驗信號對比

分別取主瓣寬度最大/最小參數組合EMAT對應的一次端面回波經旁瓣抑制后波包的上包絡線，并進行歸一化處理，如圖9所示。由圖9可知，與主瓣寬度最大參數組合EMAT對應的一次端面回波的主瓣寬度10.0 μs相比，主瓣寬度最小參數組合對應的主瓣寬度可減少29.6%。

圖9 主瓣寬度最大/最小參數組合EMAT對應的一次端面回波經旁瓣抑制后波包對比

4 基于Barker碼脈沖壓縮技術的電磁超聲表面波檢測優勢分析

4.1 脈沖壓縮技術有利于提高檢測速度

分別采用中心頻率為0.94 MHz的猝發音和Barker碼信號作為曲折線圈EMAT的激勵電流進行實驗分析，其中EMAT設計參數和Barker碼信號參數為表3中給出的主瓣峰值最高參數組合。圖10(a)為無同步平均的猝發音驅動對應的超聲回波信號，圖10(b)為猝發音驅動對應的超聲回波信號經64次同步平均抑噪處理后的結果。圖10(c)為采用脈沖壓縮技術在無同步平均條件下對應的超聲回波信號。由圖10(b)和圖10(c)可知，與猝發音驅動經64次同步平均抑噪效果相比，采用脈沖壓縮技術在無同步平均條件下可將回波信噪比提高2.2 dB。

圖10 脈沖壓縮技術和猝發音驅動配合同步平均抑噪對應的超聲回波信號

不同同步平均次數時，猝發音驅動與Barker碼脈沖壓縮對應的直達波信噪比如表5所示。由表5可知，與猝發音驅動相比，采用Barker碼脈沖壓縮技術，信噪比至少提高7.1 dB。當同步平均次數為16時，采用脈沖壓縮技術可以將信噪比提高9.7 dB。與猝發音驅動配合16次同步平均抑噪相比，采用脈沖壓縮技術在無同步平均條件下可將回波信噪比提高4.1 dB。由此可見，將Barker碼脈沖壓縮技術應用于電磁超聲表面波檢測，可在無同步平均條件下獲取足夠信噪比的檢測回波，這樣可以提高檢測速度，以便實現高溫條件下的在線快速檢測。

表5 猝發音驅動與脈沖壓縮技術在不同同步平均次數時對應的信噪比

4.2 脈沖壓縮技術有利于EMAT大提離檢測

圖11(a)為提離為1.3 mm、無同步平均的猝發音驅動對應的超聲回波信號，圖11(b)為提離為1.3 mm、Barker碼脈沖壓縮技術在無同步平均時對應的超聲回波信號。由圖11(a)可知，直達波被淹沒在噪音之中，無法實施表面裂紋的檢測。由圖11(b)可知，采用Barker碼脈沖壓縮技術能得到信噪比為20.1 dB的直達波，能有效區分直達波和噪音。

圖11 無同步平均、提離為1.3 mm時，猝發音驅動與Barker碼脈沖壓縮技術對應的超聲回波信號

不同平均次數和提離時，猝發音驅動與Barker碼脈沖壓縮對應的直達波信噪比如表6所示。由表6可知，當提離分別為0.8 mm、1.3 mm時，與猝發音驅動相比，采用脈沖壓縮技術可將信噪比至少分別提高17.3 dB、20.1 dB。與猝發音驅動經16次同步平均抑噪相比，采用脈沖壓縮技術在無同步平均條件下得到的回波信噪比更高，在提離為0.8 mm、1.3 mm時，脈沖壓縮技術可將信噪比分別提高13.2 dB、3.9 dB。

表6 猝發音驅動與脈沖壓縮技術在不同提離、同步平均次數時的信噪比

4.3 脈沖壓縮有利于實現小缺陷檢測

在長1 100 mm×寬70 mm×高30 mm的鋁合金試樣上預制缺陷并進行檢測實驗，裂紋的長度、寬度和深度分別為5 mm、1 mm和0.5 mm。含裂紋的鋁合金試樣和EMAT位置示意圖如圖12所示。

圖12 含裂紋的鋁合金試樣和EMAT位置示意圖

在不同同步平均次數的條件下，猝發音驅動與脈沖壓縮技術對應的缺陷波信噪比如表7所示。

表7 猝發音驅動與脈沖壓縮技術在不同同步平均次數時的信噪比

圖13(a)、(b)分別為同步平均次數為32、64時猝發音驅動對應的超聲回波，其中缺陷波的信噪比分別為10.0 dB、13.8 dB。由圖13和表7可知，無同步平均的Barker碼脈沖壓縮技術比同步平均次數為32的猝發音驅動對應的超聲回波信噪比更高，可將信噪比提高2.0 dB。圖13(c)、(d)分別為同步平均次數為8、16時，Barker碼脈沖壓縮對應的超聲回波，其中缺陷波的信噪比分別為20.6 dB、23.1 dB。與同步平均次數為64的猝發音驅動對應的缺陷回波相比，同步平均次數為16的Barker碼脈沖壓縮技術可將缺陷波信噪比提高9.3 dB。

圖13 猝發音驅動與Barker碼脈壓信號缺陷檢測結果對比

5 結論

①曲折線圈EMAT設計參數和Barker碼信號參數是影響脈沖壓縮后的主瓣峰值和主瓣寬度的重要因素。因此有必要選擇合適的曲折線圈EMAT設計參數和Barker碼信號參數，使EMAT檢測回波信噪比和空間分辨率同時提高。

②對于長5 mm×寬1 mm×深0.5 mm的裂紋，傳統猝發音驅動經過32次同步平均抑噪才能獲取信噪比為10.0 dB的缺陷波，而Barker碼脈沖壓縮技術，可在無同步平均的條件下獲取信噪比為12.0 dB的缺陷波。

③將基于Barker碼脈沖壓縮算法的電磁超聲表面波技術應用于高溫鋁合金表面缺陷檢測，可以在較少同步平均次數和較大提離條件下獲取足夠信噪比的缺陷波。這樣不僅可以減小檢測時間，避免EMAT在高溫檢測過程的損壞，而且還可以快速、準確地獲取缺陷波，能夠有效解決高溫檢測條件下EMAT換能效率低、信噪比低等難題，對高溫鋁合金鑄鍛件關鍵參數的在線無損檢測具有重要參考價值。關于高溫EMAT探頭設計及其高溫檢測效果，還有待在后期的研究中進一步解決。