點聚焦表面波EMAT聲場特性及其試驗

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(南昌航空大學(xué) 無損檢測教育部重點實驗室，南昌 330063)

與傳統(tǒng)的壓電式換能器相比，電磁超聲換能器(EMAT)由于不需要耦合劑、較粗糙表面也可以直接探傷等特點，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于高溫、移動、在線、快速檢測等惡劣環(huán)境中[1-2]，特別是傳統(tǒng)壓電超聲所不能適用的檢測場合。由于曲折線圈EMAT換能效率低、信噪比低，為了解決這一難題，國內(nèi)外學(xué)者主要針對其機(jī)理進(jìn)行了大量研究，包括對相鄰線圈之間的間距、線圈長度以及磁鐵的大小、提離距離、接收方式等[3]。為了能夠增強(qiáng)曲折線圈EMAT的檢測效果，特別是針對微小裂紋或點狀缺陷，研究者們提出了聚焦EMAT，其采用圓弧形曲折線圈，以實現(xiàn)超聲波能量的聚焦。例如，2016年THRING C B等介紹了一種提高EMAT檢測分辨率的新方法，該方法使用經(jīng)過優(yōu)化的聚焦EMAT產(chǎn)生2 MHz的表面波。這種高頻率表面波可以檢測到毫米級深度缺陷，可以檢出長為2 mm，寬為1.5 mm的缺陷，缺陷長度上限為(2.1±0.5) mm[4]。2017年THRING C B等提出采用聲波聚焦的方式來提高表面破裂缺陷的信號強(qiáng)度和檢測精度，使用2 MHz的激勵信號，聚焦深度為(3.7±0.25) mm，允許缺陷長度測量精度為±0.4 mm，可用于檢測長度為1 mm和深度小于0.5 mm的缺陷[5]。

目前關(guān)于聚焦表面波EMAT與圓孔、裂紋的作用規(guī)律還有待進(jìn)一步深入，為此，筆者主要針對曲折線圈表面波EMAT換能效率和信噪比低這一問題，提出了點聚焦表面波EMAT，進(jìn)行了聲場分析和影響參數(shù)分析，并與傳統(tǒng)的曲折線圈EMAT進(jìn)行了對比，最后搭建了點聚焦表面波EMAT探頭，并進(jìn)行了鋁板檢測試驗研究。

1 點聚焦表面波EMAT聲場特性及其影響因素

1.1 點聚焦表面波EMAT換能機(jī)理

基于洛倫茲力換能機(jī)理的點聚焦表面波EMAT如圖1所示。其機(jī)理為：激勵發(fā)射裝置在圓弧線圈內(nèi)通以高頻交變電流，并在試件集膚深度內(nèi)產(chǎn)生與之方向相反的渦流；渦流在釹鐵硼永磁體的強(qiáng)磁場作用下，引起質(zhì)點產(chǎn)生周期性的振動和彈性形變；由于表面波EMAT線圈的相鄰導(dǎo)線間距l(xiāng)嚴(yán)格等于表面波波長的二分之一，因此圓弧線圈各匝導(dǎo)線激發(fā)的高頻振動會發(fā)生相長干涉，進(jìn)而產(chǎn)生沿試件表面?zhèn)鞑サ碾姶懦暠砻娌āD1中，Jc為激勵電流，JE為鏡向電流，Bs為電磁感應(yīng)強(qiáng)度，fL為感應(yīng)力。圓弧線圈上各個質(zhì)點受到的力均垂直于線圈，能夠逐漸聚焦于一點并產(chǎn)生點聚焦表面波，從而能檢測一定深度范圍內(nèi)的表面缺陷,缺陷檢測模型如圖2所示。

圖1 點聚焦表面波EMAT換能機(jī)理示意圖

圖2 缺陷檢測模型

接收裝置是發(fā)射的逆過程，具體換能機(jī)理如下：當(dāng)超聲波遇到端面或者缺陷以后，反射波到達(dá)接收線圈的正下方，引起材料晶格發(fā)生形變，當(dāng)有外加磁場的情況下就會在材料中產(chǎn)生電渦流，并在空氣中形成動態(tài)磁場，而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，作為超聲波被接收。

1.2 電磁超聲點聚焦表面波傳播有限元模型構(gòu)建

為研究點聚焦表面波的形成條件及圓弧曲折線圈對其換能效率的影響，建立了點聚焦表面波在鋁板中的傳播三維有限元模型。被檢測材料設(shè)置為一個半徑為100 mm，厚度為20 mm的鋁圓盤，在鋁圓盤表面布置k匝等間距的等弧度線圈，然后直接對每匝線圈加載相應(yīng)的載荷，激勵力的加載方式如圖3(a)所示，該激勵力用于表示在偏置永磁場作用下，脈沖電渦流形成的洛倫茲力，其函數(shù)為：

(1)

式中：k為線圈每匝導(dǎo)線的序號；角頻率ω=2πf，f為中心頻率；n為正弦脈沖串個數(shù);t為激勵力作用時間。

筆者通過穩(wěn)態(tài)分析研究頻率分別為0.5,1.0,1.5 MHz下的聲場發(fā)散規(guī)律。對于瞬態(tài)模型，仿真頻率統(tǒng)一設(shè)置為0.45 MHz，然后對構(gòu)建的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選擇掃掠網(wǎng)格，選中需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分的區(qū)域，選擇定制單元尺寸，對最大單元尺寸參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，全部構(gòu)建，完成網(wǎng)格區(qū)域劃分。對應(yīng)的網(wǎng)格劃分后的模型如圖3(b)所示。

圖3 點聚焦表面波在鋁圓盤中傳播的有限元模型

1.3 點聚焦表面波聲場特性分析

如圖4所示，在足夠大的鋁板上布置4匝圓弧線圈，設(shè)置線圈之間間距為3 mm,將需加載載荷的線圈設(shè)置為四分之一圓，對應(yīng)的奇數(shù)匝加載一個正向的線作用力，偶數(shù)匝加載一個反向的線作用力，均以單位長度力的類型進(jìn)行加載。經(jīng)計算后對結(jié)果進(jìn)行后處理，頻率0.5，1.0，1.5 MHz對應(yīng)的三維模型聲場分布如圖4所示。

圖4 不同頻率下的點聚焦表面波聚焦聲場

為了更加直觀地觀察鋁塊模型表面及近表面的聲場分布，取垂直于圓盤上下表面且平分圓弧線圈的截面，截面上的聲場分布如圖5所示。由圖5可知：隨著頻率的增大，超聲波的聚焦聲場也會發(fā)生改變，當(dāng)頻率由0.5 MHz增加至1.5 MHz時，超聲波由點聚焦表面波轉(zhuǎn)為聚焦體波。

圖5 不同激勵頻率對應(yīng)點聚焦表面波在鋁盤截面上的 聲場分布圖

圖6 點聚焦表面波EMAT和曲折線圈EMAT產(chǎn)生的 表面波的瞬態(tài)聲場快照(時間為2.2×10-5 s)

1.4 點聚焦表面波EMAT聲場影響規(guī)律分析

為了分析點聚焦表面波EMAT對微小缺陷檢測的能力，將其與傳統(tǒng)曲折線圈EMAT的聲場特性進(jìn)行對比。運用單一變量法，設(shè)置同樣長度、線寬、匝數(shù)的線圈以及同樣尺寸的圓孔以及斜裂紋缺陷，每匝線圈均施加一個0.5 MHz頻率的單位體積激勵力。圖6(a)所示為傳統(tǒng)曲折線圈EMAT產(chǎn)生的表面波，圖6(b)所示為點聚焦表面波(圓弧線圈)EMAT形成的聚焦表面波。由圖6可知：圓弧線圈產(chǎn)生的表面波逐漸聚焦于圓心處，曲折線圈產(chǎn)生的表面波平行于線圈向外傳播。

當(dāng)兩種線圈EMAT產(chǎn)生的表面波經(jīng)過φ10 mm孔時，缺陷回波的強(qiáng)度不同，兩種線圈對圓孔缺陷回波的聲場快照如圖7所示(時間為3.8×10-5s)。由圖7可知：曲折線圈EMAT對應(yīng)的缺陷回波信號較微弱，而用點聚焦表面波EMAT檢測則能夠觀察到較明顯的缺陷回波。圖8所示為點聚焦表面波EMAT和曲折線圈EMAT產(chǎn)生的表面波對φ10 mm圓孔缺陷的檢測結(jié)果對比圖，點聚焦表面波EMAT和曲折線圈EMAT對應(yīng)的最大缺陷回波幅值約為0.23×10-22,0.03×10-22mm,前者約為后者的8倍。

圖7 點聚焦表面波EMAT和曲折線圈EMAT產(chǎn)生的 表面波與孔的相互作用聲場快照

圖8 點聚焦表面波EMAT和曲折線圈EMAT對 φ10 mm圓孔缺陷的檢測回波幅值對比

為了對比檢測不同類型缺陷的仿真效果，設(shè)置了長為40 mm、寬為2 mm的條形斜裂紋缺陷，缺陷位置均設(shè)置在垂直于線圈中軸線位置上，繪制兩種線圈對應(yīng)的仿真云圖及缺陷波強(qiáng)度信號圖，對比分析兩種線圈對缺陷回波的接收情況。

圖9為兩種線圈對斜裂紋缺陷檢測的仿真云圖，從缺陷回波信號的傳播可以看出，點聚焦EMAT對微小斜裂紋缺陷的檢測能力較強(qiáng)。兩種線圈對斜裂紋缺陷檢測的信號強(qiáng)度如圖10所示。圓弧、曲折線圈對應(yīng)的最大回波接收幅值約為0.45×10-22，0.11×10-22mm,信號幅值提高了近4倍。

圖9 點聚焦表面波EMAT和曲折線圈EMAT產(chǎn)生的 表面波對斜裂紋的相互作用聲場快照(時間為3.8×10-5 s)

圖10 點聚焦表面波EMAT和曲折線圈EMAT對 裂紋的檢測回波幅值對比

在圓盤表面設(shè)置相鄰間距均為3 mm的10匝線圈，分別選中圓弧角度為30°,60°,90°的圓弧施加作用力，奇數(shù)匝線圈施加正方向的單位長度力，偶數(shù)匝施加反方向的單位長度力，添加完美匹配層，圓盤側(cè)面及下表面設(shè)置為低反射邊界，劃分網(wǎng)格并進(jìn)行計算，然后對結(jié)果進(jìn)行后處理，取最外層線圈為接收線圈進(jìn)行力的線積分，得到線圈接收信號如圖11所示。

圖11 點聚焦表面波EMAT的線圈長度對 超聲波信號的影響

由圖11可知，當(dāng)圓弧線圈角度逐漸增大即圓弧線圈長度逐漸增加時，接收信號的幅值也逐漸增大，30°,60°,90°線圈對應(yīng)的最大幅值信號約為0.49×10-15，1.15×10-15，1.64×10-15mm。由此可見，增大圓弧線圈尺寸可以提高接收線圈的信號幅值。

針對不同線圈匝數(shù)對點聚焦EMAT缺陷回波信號接收的影響，在鋁圓盤上分別從外到內(nèi)依次選取4,8,10,14匝線圈進(jìn)行有限元計算，在圓心處設(shè)置φ8 mm大小的通透圓孔，得到線圈匝數(shù)對圓孔缺陷的超聲回波幅值的影響如圖12所示。

圖12 點聚焦表面波EMAT的線圈匝數(shù)對 圓孔反射波信號的影響

由圖12可知，線圈匝數(shù)越多，接收線圈接收到的信號強(qiáng)度越大且對應(yīng)的波包寬度也隨之增加。

2 點聚焦表面波EMAT檢測試驗

2.1 試驗系統(tǒng)介紹

試驗設(shè)計了曲折線圈EMAT和點聚焦表面波EMAT，相鄰線圈間距均為3 mm,匝數(shù)為10匝，導(dǎo)線寬0.15 mm，其中，圓弧激勵線圈和接收線圈的圓弧角分別為20°,26°。探頭實物外觀如圖13所示，圖14為缺陷的電磁超聲檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，圖15為點聚焦表面波EMAT檢測界面信號示例。

圖13 點聚焦表面波EMAT探頭實物外觀

圖14 缺陷的電磁超聲檢測系統(tǒng)框圖

圖15 點聚焦表面波EMAT檢測界面信號示例

圖16 點聚焦表面波EMAT和曲折線圈EMAT檢測 φ5 mm圓孔的A掃波形

2.2 點聚焦表面波EMAT與曲折線圈EMAT的對比試驗

為了對比點聚焦表面波EMAT與曲折線圈EMAT對點缺陷的實際檢測能力，選用鋁薄板并對其φ5 mm的圓孔缺陷進(jìn)行檢測，得到圖16所示檢測結(jié)果。由圖16可知：點聚焦EMAT能夠接收到明顯的缺陷回波，而曲折線圈EMAT無法接收到明顯的缺陷回波。

2.3 點聚焦表面波EMAT聚焦聲場特性驗證

接下來研究點聚焦EMAT缺陷檢測隨距離的變化規(guī)律。對一φ5 mm圓孔實施檢測，如圖17所示，將點聚焦表面波EMAT對準(zhǔn)缺陷并找到最大回波位置處，記錄下最大信號幅值，然后分別向靠近缺陷及遠(yuǎn)離缺陷的位置移動，以探頭前沿到缺陷之間的距離為自變量，分別取1.5，3，4.2，6，9，12，15，18 mm這8個位置，記錄下各位置的缺陷回波對應(yīng)的最大幅值，利用Origin軟件進(jìn)行繪制，得出點聚焦EMAT檢測的缺陷回波幅值隨探頭位置變化的關(guān)系曲線，如圖18所示。

圖17 點聚焦表面波EMAT檢測示意

圖18 點聚焦EMAT檢測的缺陷回波幅值隨探頭位置 變化的關(guān)系曲線

由圖18可知，當(dāng)缺陷位置與探頭前沿距離約為4.2 mm時對應(yīng)的缺陷回波幅值最大，缺陷波幅為6.30 mV。隨著兩者間距的增大或減小，缺陷回波幅值逐漸減小。

2.4 鋁板中圓孔的點聚焦表面波EMAT檢測試驗

對鋁板上不同大小的圓孔進(jìn)行檢測，接收到的信號如圖19所示，其中波包A為電磁串?dāng)_信號，波包B為接收線圈接收到的激勵始波，波包C為缺陷回波，波包D為鋁板左端面回波。可見，隨著圓孔直徑的減小，接收線圈接收到的缺陷回波幅值逐漸減小，對于φ2.5 mm以上大小的圓孔均能較為明顯地檢測出來。

圖19 不同尺寸圓孔的點聚焦表面波EMAT檢測 A掃信號對比

3 結(jié)論

針對傳統(tǒng)曲折線圈EMAT換能效率低且對點狀缺陷不易檢出的問題，分析點聚焦表面波EMAT的聲場特性和影響因素，及其與圓孔、裂紋的聲場作用規(guī)律，并進(jìn)行了含圓孔的鋁板檢測試驗，得到以下結(jié)論：

(1) 與傳統(tǒng)曲折線圈EMAT相比，點聚焦表面波EMAT具有良好的聚焦特性，表面波能夠聚焦于一點。

(2) 增加EMAT的線圈長度和線圈匝數(shù)，有利于提高點聚焦表面波EMAT的換能效率。

(3) 相比于曲折線圈EMAT，點聚焦表面波EMAT能夠?qū)⑿盘柗堤岣邤?shù)倍，能檢測出曲折線圈EMAT無法檢測出的點狀缺陷。