基于相控技術的鋼板電磁超聲檢測方法*

楊理踐， 劉珂丞， 高松巍， 邢燕好

(沈陽工業大學 信息科學與工程學院， 沈陽 110870)

?

基于相控技術的鋼板電磁超聲檢測方法*

楊理踐， 劉珂丞， 高松巍， 邢燕好

(沈陽工業大學 信息科學與工程學院， 沈陽 110870)

為了提高鋼板中電磁超聲回波信號，提出了一種基于相控技術的鋼板電磁超聲檢測方法.研究了相控聚焦技術和鋼板中電磁超聲換能器的換能機理，通過多陣元組成激發換能器陣列，運用延時法使超聲波在目標區等相位疊加，實現超聲波聚焦，并在Q235鋼板上采用分立式結構進行實驗驗證.結果表明：該方法有效彌補了收發換能器間聲程差引起的相位偏移，激勵電壓一致時，658 mm處接收的回波信號幅值提高為中心換能器單獨激發時的2倍；采用三陣元激勵換能器陣列檢測方法可實現缺陷處的超聲波聚焦，520 mm處缺陷回波幅值提高為中心換能器單獨激發時的1.83倍.

電磁超聲； 相控技術； 換能器陣列； 延時法則； 等相位疊加； 超聲波聚焦； 相位偏移； 回波信號

鋼板在生產及長期的使用過程中不可避免地會存在少量缺陷，同時受外部加載及環境的影響也會引起鋼板內部細小缺陷的進一步擴展.電磁超聲檢測技術具有非接觸、無需加入耦合劑、無需對待測試件表面進行復雜預處理的優點[1]，可用于大面積、快速全面地評估金屬板材的健康狀況，在工業無損檢測領域具有廣泛的應用前景.

相控技術應用于超聲領域，可有效克服單換能器能量分散和信號幅值小等缺點，通過聚焦方法能夠有效增強局部能量，提高對微小缺陷的檢測能力[2]，國內外學者對相控技術和以此發展來的陣列技術進行了大量研究.白培瑞等以xMATRIX超聲換能器結構為原型，對二維超聲陣列換能器的兩種時域聲場進行了仿真分析[3]；相控聚焦和反聚焦原理在超聲領域的應用，有效實現了缺陷目標處的能量聚焦[4]；吳斌、何存富等采用導波聚焦方法實現對缺陷的聚焦，提高了檢測能力[5-6]；Lee等將四陣元SH波EMAT置于板材的四角，利用聚焦算法準確定位板中缺陷的位置[7]；Lucklum等設計了一種EMAT陣列，通過多通道相位控制來實現超聲波方向和類型的控制[8]；蔡明飛等研究了在單、多通道相控發射時的激勵波形生成方法，并實現了高精度的相控延時發射[9].

本文研究了相控聚焦技術和鋼板檢測中電磁超聲換能器(EMAT)的換能機理，以電磁超聲換能器為陣元組成激勵換能器陣列，運用延時法則控制各陣元激勵，使激發的超聲波聚焦在接收端，實現等相位疊加，回波信號幅值達到最大.

1　電磁超聲換能器陣列

超聲波在鋼板中傳播時會伴隨著頻散效應和多模態效應，且某些模態在高頻時發生嚴重散射，導致能量分散，信號識別比較困難.本文結合相控技術，以電磁超聲換能器作為陣元，構成電磁超聲換能器陣列，通過時間延時實現波束聚焦，大大提高了局部超聲波能量和回波信號幅值.

1.1相控聚焦技術

超聲相控陣可通過聚焦技術提高方位分辨力，提高局部能量，對微小缺陷具有較強的檢測能力.將多個換能器作為陣元按一定形狀排列，構成超聲相控換能器陣列，通過精準的時間延時調整各陣元發射信號的相位延遲，使各陣元發射的超聲波束在目標處按惠更斯原理進行疊加合成[10]，從而實現超聲波聲束聚焦.

將2N+1個相同陣元排列成線性陣列，先激勵兩端陣元，延遲一段時間后鄰近的一對陣元開始發射，距離目標區越近發射越晚，由此使各陣元同時到達目標區，即相控焦點P，實現了相控聲束聚焦，聚焦示意圖如圖1所示.

圖1　相控聚焦示意圖Fig.1　Schematic diagram of phase control focusing

將中心陣元作為整個陣列的相位參考，考慮第n個典型陣元，則

l=nd

(1)

L2=F2+l2

(2)

式中：d為相鄰陣元間距；l為陣元n距中心陣元距離；L為陣元n距焦點距離；F為聚焦深度.

第n陣元與中心陣元到聚焦點P的聲程差為

Δs=F-L

(3)

則第n陣元的延時值為

(4)

式中：c為超聲波傳播速度；t0為避免負值延時所加常數.

將式(1)～(3)代入式(4)可得

(5)

若陣元數為偶數2N時，則延時值為

(6)

每個陣元所加延時Δtn抵消了不同陣元到達聚焦點因聲程差引起的相位偏移，使波束等相位疊加在聚焦點位置，獲得最大超聲波能量.

相控聚焦技術通過對超聲換能器陣列中各陣元進行不同的延時處理，信號頻率相同，各陣元發出的超聲波是相干的，通過精準的延時來彌補各陣元到聚焦位置因聲程差引起的相位差，各陣元發射的超聲波將等相位地到達聚焦位置，此時超聲波能量最強，信號幅值達到最大.

1.2單陣元EMAT換能機理

電磁超聲換能器是電磁超聲技術的核心部分，用于待測鋼板中超聲波的激勵與接收，由勵磁器、線圈和待測試件三部分組成.由電磁場理論可知，待測試件在靜態偏置磁場和動態感應磁場的復合作用下產生力或形變，通過洛倫茲力、磁化力和磁致伸縮應變三種耦合機理將電磁場能量轉換為機械能，鋼板中激發原理圖如圖2所示.

圖2　鋼板中電磁超聲激發原理圖Fig.2　Excitation principle of electromagnetic ultrasonic in steel plate

鋼板中EMAT激發超聲波，先由EMAT激發出電磁場，然后電磁場與待測鋼板相互作用產生力場，最終力場使鋼板中質點振動形成超聲波場.鋼板中EMAT的激發機理包括磁化力機理、洛倫茲力機理和磁致伸縮機理三種，用數學模式進行描述，則磁化力可表示為

fM=(M0)B

(7)

式中：M0為磁化強度矢量；B為動態磁通密度矢量.

洛倫茲力可表示為

fL=Je×B0

(8)

式中：Je為渦流密度矢量；B0為靜偏置磁場強度矢量.

磁致伸縮力可表示為

fMS=-(eTH)

(9)

式中：e為磁致伸縮系數矩陣，該系數可由實驗獲得；H為動態磁場強度矢量.

相比其他兩種力，磁場中磁偶極子受到的磁化力作用十分微弱，在鋼板中主要依靠磁致伸縮力和洛倫茲力共同作用激發超聲波.

2　實驗與結果分析

2.1實驗系統

本文實驗研究基于圖3所示的實驗系統，在長1 500 mm、寬1 000 mm、厚6 mm的Q235鋼板上進行相關實驗.采用美國Ritec公司的大功率RAM-5000-SNAP超聲系統作為激勵裝置，對產生的高頻脈沖信號進行阻抗匹配，而后施加在電磁超聲換能器的線圈上，在永磁鐵施加的水平方向偏置磁場作用下，使鋼板內部質點產生機械振動，從而形成超聲波在鋼板內傳播.接收換能器對接收到的微弱信號進行放大處理，經濾波電路濾波后，送入RAM-5000-SNAP系統，處理后的回波信號可由示波器進行顯示.

圖3　電磁超聲實驗系統框圖Fig.3　Block diagram of experimental system for electromagnetic ultrasonic

采用收發一體式EMAT時，由于在鋼板中傳播時板波的多模態特性使得信號繁雜，難以判斷，且端面反射又會引入新的模態分量，增加了問題分析的復雜性.本文采用收發分立式EMAT，簡化了模態分析問題，發射換能器陣列與接收換能器相對放置，且為了避免端面反射的影響，均與板面呈一定傾斜角擺放，實驗裝置示意圖如圖4所示.

圖4　換能器陣列實驗裝置示意圖Fig.4　Schematic diagram of experimental device for transducer array

換能器線圈采用PCB技術制作，采用釹鐵硼永磁鐵提供水平方向的偏置磁場，與三個線圈一起分別構成激勵換能器陣列的陣元1、2、3，三陣元縱向排列成激勵換能器陣列.接收線圈R1與提供水平偏置磁場方向的永磁鐵一起構成接收換能器，用于鋼板中超聲波的接收.

2.2鋼板中的超聲波聚焦

基于物理特性及產生機理的不同，電磁超聲相控聚焦技術可以借鑒壓電超聲相控陣聚焦方法，但具有一定的差別.考慮到換能效率問題，電磁超聲換能器陣元需要合理的線圈和磁鐵匹配方式，本身尺寸較大，數值計算時不可忽略.

在Q235鋼板上采用如圖4所示的三陣元激勵換能器陣列激發超聲波，單換能器接收，收發換能器相對放置，且接收換能器正對激勵陣元2，相對位置如圖5所示.

通過控制換能器陣列中各陣元激勵脈沖的時間延遲，改變各陣元發射超聲波到達接收端時的相位關系，實現目標處超聲波聚焦.對于激勵換能器陣列的各陣元，可得

圖5　收發換能器相對位置示意圖Fig.5　Schematic relative position of exciting and receiving transducers

L=d/sinθ

(10)

l′=d/tanθ

(11)

式中：L為激勵陣元1距接收換能器距離；l′為陣元2距接收換能器距離；θ為偏移角.陣元1、2到接收端的聲程差為

Δl=L-l′=d/sinθ-d/tanθ

(12)

則需要延時彌補的相位偏移量為

(13)

式中，λ為超聲波波長.

激勵信號滿足

c=λf

(14)

式中，f為激發頻率.實現等相位疊加需滿足

(15)

(16)

式中，Δt為所需的延時時間.

通過數值計算，可以得出換能器陣列激發超聲波實現等相位疊加時需要進行的延時時間和補償相位，從而使超聲波束聚焦在偏移角為θ，與中心陣元距離為l′的位置上，增強回波信號.

由式(15)、(16)分析可知，在鋼板上進行超聲波聚焦，脈沖串激發頻率和超聲波的傳播速度會對延時時間和相位偏移產生影響，需對施加到線圈兩端的脈沖串激發頻率和鋼板中超聲波傳播速度進行校定.

1) 激發頻率校定.調節超聲波激勵裝置參數，設置脈沖串激發頻率為470 kHz，對加載在線圈兩端的激勵脈沖串衰減40 dB進入示波器觀察，如圖6所示.由圖6可知，脈沖周期T為2.1 μs，則線圈兩端加載脈沖串的實際頻率為

(17)

由式(17)計算可得，實際頻率f為476.2 kHz.

圖6　激勵脈沖串Fig.6　Excitation of pulse train

2) 超聲波傳播速度校定.發射換能器陣列與接收換能器相對放置，設置激發頻率為470 kHz，裝置示意圖如圖7所示.

圖7　換能器陣列位置示意圖Fig.7　Schematic diagram of transducer array position

接收換能器與陣元2正對放置，初始時置于A位置，兩者距離658 mm.移動接收換能器至B位置，A、B距離Δs′為400 mm，分別測得回波信號如圖8所示.由圖8可知，接收端從A位置移動到B位置，回波信號在時域內延時為Δt′，值為120.75 μs，則超聲波在鋼板內實測傳播速度為

(18)

計算得實際傳播速度c為3 312.6 m/s.在Q235鋼板中進行聚焦實驗，設置激勵頻率為470 kHz，收發換能器距離為658 mm，調節參數使換能器陣列中陣元1、2、3單獨激發時的回波信號幅值相等，單陣元激發時回波信號如圖9所示.

對各陣元通過延時調整進行相位補償，使超聲波等相位聚焦在接收端，陣元1、2等相位激發時回波信號幅值增長為單陣元激勵時的2倍，如圖10a所示，再加入陣元3實現聚焦后，回波信號幅值增長為單陣元激勵時的3倍，如圖10b所示.

換能器陣列中相鄰陣元間距d為55 mm，接收換能器與發射換能器陣列的陣元2正對放置，距離為658 mm，偏移角為4.778°，則接收換能器置于A位置時，各陣元聚焦在接收端所需的時間延時和相位補償可由式(15)、(16)計算得到.將實驗測得數據與數值計算進行比較，結果如表1所示.

圖8　聲速校定回波信號Fig.8　Echo signal for velocity calibration

圖9　單陣元激發回波信號Fig.9　Echo signal for single array element excitation

圖10　多陣元激發回波信號Fig.10　Echo signal for multi array element excitation

以陣元1作參考，聚焦時陣元2、3的延時誤差和對應的相位偏移誤差如表2所示.由表2可知，鋼板中超聲波聚焦時的延時和相位偏移誤差較小，數值計算結果與實驗結果基本吻合，驗證了數值計算與實驗的正確性和可靠性.

表1　實驗結果與數值計算比較

表2　延時與相位偏移誤差

2.3基于相控的電磁超聲換能器陣列檢測

采用收發分立式換能器激發與接收超聲波，設置激發頻率為470 kHz，調節陣元1、2、3使其激勵電壓相同，收發換能器距離658 mm，三陣元電磁超聲換能器陣列作激勵，接收換能器正對激勵陣元2相對放置，所得的回波信號如圖11所示.

回折型EMAT激發的超聲波具有一定的指向性，聲場強度會隨輻射半張角的增加而迅速衰減.陣元1、3與接收換能器具有一定的傾斜角，回波幅值較小，如圖11a、c所示，激勵陣元2與接收換能器正對放置，信號幅值較大，如圖11b所示.對激勵陣元進行延時控制，實現接收端超聲波聚焦，回波波形如圖11d所示.三陣元激發的超聲波等相位聚焦在接收端時，回波信號能量最強，幅值最大，為中心陣元2單獨激發時的2倍.

圖11　換能器陣列回波信號Fig.11　Echo signal for transducer array

在Q235鋼板上對微小缺陷進行檢測，設置激發頻率為470 kHz，發射換能器陣列與接收換能器相對放置，示意圖如圖12所示.

槽形缺陷長40 mm，寬1 mm，深2 mm，與接收換能器和激勵換能器陣列的中心陣元2在一條直線上，由于輻射陣元1、3與缺陷具有一定傾斜角，產生的信號較弱，采用中心陣元2的雙倍電壓激勵，測得缺陷回波信號如圖13所示.

圖12　缺陷檢測示意圖Fig.12　Schematic diagram of defect detection

圖13　缺陷檢測回波信號Fig.13　Echo signal for defect detection

由圖13a、b對比可知，中心陣元2單獨激發時，缺陷信號淹沒在噪聲信號中，幾乎不可見.采用三陣元換能器陣列激發超聲波，通過延時使超聲波在缺陷處聚焦，有效提高了缺陷回波幅值，為中心陣元單獨激發時的1.83倍.

3　結　論

本文通過分析得出如下結論：

1) 電磁超聲換能器陣列各陣元通過精準的延時控制，使超聲波在目標區等相位疊加，實現超聲波聚焦，激勵電壓一致，收發換能器距離658 mm時回波信號幅值為中心換能器單獨激發時的2倍，有效提高了信號幅值；

2) 鋼板中基于相控技術的三陣元激勵換能器陣列檢測方法可有效實現缺陷處的超聲波聚焦，距離換能器陣列520 mm處缺陷回波幅值增強為單換能器激發時的1.83倍，相對噪聲信號可識別，提高了對微小缺陷的檢測能力.

[1]楊理踐，鄒金津，邢燕好.電磁超聲蘭姆波換能器在金屬板檢測中的優化 [J].沈陽工業大學學報，2014，36(5)：537-542.

(YANG Li-jian，ZOU Jin-jin，XING Yan-hao.Optimization of electromagnetic ultrasonic Lamb wave transducer used for detection of metal plate [J].Journal of Shenyang University of Technology，2014，36(5)：537-542.)

[2]焦敬品，楊敬，何存福，等.基于虛擬聚焦的板結構蘭姆波換能器陣列檢測方法研究 [J].機械工程學報，2011，47(8)：12-20.

(JIAO Jing-pin，YANG Jing，HE Cun-fu，et al.Virtual focusing based Lamb wave transducer array method for plate structure inspection [J].Journal of Mechanical Engineering，2011，47(8)：12-20.)

[3]白培瑞，趙奇，曹茂永，等.二維超聲陣列換能器聲場的兩種時域仿真模型比較 [J].聲學學報，2011，36(5)：506-512.

(BAI Pei-rui，ZHAO Qi，CAO Mao-yong，et al.Comparison of two filed simulation models of two-dimensional ultrasound transducer arrays in time domain [J].Acta Acustica，2011，36(5)：506-512.)

[4]Kang T，Lee D H，Song S J，et al.Enhancement of detecting defects in pipes with focusing techniques [J].NDT & E International，2011，44(2)：178-187.

[5]吳斌，符浩，何存富.超聲導波虛擬相控聚焦方法研究 [J].儀器儀表學報，2013，34(3)：509-515.

(WU Bin，FU Hao，HE Cun-fu.Ultrasonic guided wave inspection based on synthetic phase control method [J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2013，34(3)：509-515.)

[6]何存富，周進節，吳斌，等.管道導波時反聚焦檢測系統的設計與實現 [J].儀器儀表學報，2012，33(2)：342-348.

(HE Cun-fu，ZHOU Jin-jie，WU Bin，et al.Design and implementation of time reversal focusing inspection system for guided wave in pipeline [J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2012，33(2)：342-348.)

[7]Lee J S，Kim H W.Damage detection in a plate by using beam-focused shear-horizontal wave magnetostrictive patch transducers [J].AIAA Journal，2010，48(3)：654-663.

[8]Lucklum F，Jakoby B.Novel magnetic-acoustic resonator sensors for remote liquid phase measurement and mass detection [J].Sensors and Actuators A Physical，2008，145/146(7)：44-51.

[9]蔡明飛，師芳芳，孔超，等.超聲檢測中常用激勵波形的高精度相控發射實現 [J].應用聲學，2015，34(6)：526-532.

(CAI Ming-fei，SHI Fang-fang，KONG Chao，et al.High precision phased transmission of commonly used excitation waveforms in ultrasonic testing [J].Journal of Applied Acoustics，2015，34(6)：526-532.)

[10]張永宏，葛武健，孫亞杰.一種相控陣超聲波檢測系統的實現方法 [J].計算機仿真，2013，30(8)：417-420.

(ZHANG Yong-hong，GE Wu-jian，SUN Ya-jie.Contribution to realize phased array ultrasonic testing system [J].Computer Simulation，2013，30(8)：417-420.)

(責任編輯：鐘媛英文審校：尹淑英)

Electromagnetic ultrasonic detection method for steel plate based on phase control technique

YANG Li-jian, LIU Ke-cheng, GAO Song-wei, XING Yan-hao

(School of Information Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)

In order to improve the electromagnetic ultrasonic echo signal in the steel plate, an electromagnetic ultrasonic detection method for steel plate based on phase control technique was proposed. The phase control focusing technique and the transduction mechanism of electromagnetic ultrasonic transducer in steel plate were studied, and the excitation transducer array was composed of multi array elements. With the time delay rule, the equiphase superposition of ultrasonic was achieved in the target area, and the ultrasonic focusing was realized. In addition, the experimental verification was carried out on Q235 steel plate with the discrete structure. The results show that the proposed method can effectively compensate the phase deviation caused by the sound path difference between exciting and receiving transducers. When the excitation voltage is consistent, the amplitude of the echo signal received at 658 mm from the transducer array increases as 2 times as that of echo signal with the single excitation of central transducer. With the three-element excitation transducer array detection method, the ultrasonic focusing of defects can be realized. Furthermore, the amplitude of defect echo signal at 520 mm increases as 1.83 times as that of echo signal with the single excitation of central transducer.

electromagnetic ultrasonic; phase control technique; transducer array; time delay rule; equiphase superposition; ultrasonic focusing; phase deviation; echo signal

2015-12-25.

國家自然科學基金資助項目(61571308)； 科技部國家重大儀表專項基金資助項目(2012YQ090175)； 國家863計劃項目(2012AA040104).

楊理踐(1957-)，男，湖南長沙人，教授，博士生導師，主要從事管道檢測及無損檢測技術等方面的研究.

信息科學與工程

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.05.07

TG 115.28

A

1000-1646(2016)05-0513-07

*本文已于2016-05-12 14∶01在中國知網優先數字出版. 網絡出版地址：http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160512.1401.024.html