電磁超聲檢測各向同性金屬材料的彈性模量及聲波模式轉換

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(蘇州博昇科技有限公司, 蘇州 215123)

彈性模量是材料非常重要的參數，關系到材料抵抗外界作用力而引起變形的能力，以及使用過程中是否容易出現疲勞損傷等，對其進行快速、方便和準確地測量和評價意義重大。彈性模量傳統的檢測方法包括靜態法、動態法和超聲波法。靜態法有國家標準，主要依據材料在彈性拉伸時應力和應變的線性關系來測試，但檢測結果易受檢測過程和外界因素的影響；動態法是通過尋找材料的共振頻率來進行測試，但共振頻率依賴操作人員主觀判斷的程度較高，尋找困難，操作復雜。

超聲波法主要是通過測量材料中至少兩個模式的超聲波聲速，比如縱波和橫波、縱波和表面波、橫波和表面波的傳播速度來推算材料的彈性模量。這種方法適用范圍廣，測量方式簡單；壓電超聲波法受限于耦合劑的耦合效果，重復性較差，聲速的檢測精度存在不確定性；電磁超聲波檢測(EMAT)法不需要耦合劑，材料表面可以有油漆、腐蝕和凹凸不平，相比壓電超聲波法，其重復性好，檢測精度更高。但電磁超聲波的激發原理決定著電磁超聲波不容易產生縱波，模式轉換效率低，限制了其在材料彈性模量檢測領域的應用。

徐春廣等[1-2]利用壓電超聲激發縱波和橫波檢測螺栓拉應力。DING等[3]研究了電磁超聲波激發橫波及橫波模式轉換縱波測量螺栓應力。任潔等[4]研究了超聲波彈性模量的測試系統。

筆者借助大功率超聲檢測儀PREMAT-HS200，通過激發電磁超聲換能器獲得超聲橫波、縱波和模式轉換的縱波和橫波。接收信號的信噪比優異，除橫波外，縱波和模式轉換波也清晰可見。通過分析波包最大幅值和時間，達到了利用電磁超聲波法快速、準確、簡單、有效地檢測材料的楊氏模量和泊松系數的目的。

1 基本原理

各向同性金屬材料的彈性模量E和泊松系數ν與縱波聲速CL和橫波聲速CT的關系[5]為

(1)

(2)

式中：M=CL/CT，為材料的縱波聲速與橫波聲速的比值；ρ為材料密度。

如果能確定材料密度ρ，橫波聲速CT以及縱波與橫波聲速的比值M，就很容易計算出材料的楊氏模量和泊松系數。

電磁超聲換能器激發超聲波入射至工件表面時，可以認為有兩個獨立的通道同時在工件表面產生縱波和橫波。由于電磁超聲波的接收是發射的逆效應，所以電磁超聲波對縱波的接收效率要遠遠低于對橫波的接收效率。定義電磁超聲換能器對縱波和橫波的接收效率比值為γ，即儀器屏幕以相同的增益同時顯示縱波和橫波時，縱波幅值等于橫波的幅值乘以系數γ。

由于存在聲速擴散角，在空氣和工件上、下表面的交界面都會發生聲波模式轉換。假設橫波轉換縱波的效率是α，即入射1單位的橫波，轉換為α倍縱波和1-α倍橫波。同理，假設縱波轉換橫波的效率為β，當聲速擴散角很小時，結合Christoffel方程推導，得

β≈α

(3)

2 試驗過程

選擇便攜式大功率超聲檢測儀PREMAT-HS200和電磁超聲橫波換能器，建立試驗平臺(見圖1)。檢測工件為JB/T 4730-2005《承壓設備無損檢測》中規定的CSK-ⅡA標準試樣，材料為20鋼。幾何形狀是長方體，標稱尺寸分別為長300 mm、寬60 mm和高40 mm。電磁超聲換能器放置在300 mm×60 mm的平面上，距離工件左邊緣170 mm，上邊緣35 mm。常溫下，千分尺實測工件高為40.02 mm。系統激發超聲橫波和縱波的傳播路徑示意如圖2所示，圖中，“T”代表橫波，“L”代表縱波。

圖1 試驗平臺外觀

圖2 系統激發超聲橫波和縱波的傳播路徑示意

設置大功率電磁超聲檢測儀的發射頻率為4 MHz，激勵電壓為1 200 V，延時為10 μs(目的是不采集始波信號)，采樣時間為80 μs，增益為自動增益，接收的超聲波信號如圖3所示。圖中有3個非常大的波包，分別為橫波第1次回波(T1)、橫波第2次回波(T2)和橫波第3次回波(T3)，且呈指數衰減趨勢，這是由于超聲波的傳播衰減造成的。除此外，信號的信噪比優異，其他反射回波的波包也清晰可見。

圖3 電磁超聲檢測儀接收的超聲波信號

3 試驗結果

提取電磁超聲檢測儀接收的超聲波信號，對信號平均并取包絡，結果如圖4所示。

橫波反射回波分別為T1，T2和T3，縱波反射回波分別為L1，L2，L3和L4；模式轉換回波為W1～

W8。記超聲波的單程傳播路徑(工件上表面至下表面或者工件下表面至上表面)中橫波的傳播為“T”，縱波的傳播為“L”，波包之間的疊加為“+”，則波包T1、波包T2和波包T3分別標記為TT，TTTT和TTTTTT，分別表示橫波的第1次反射回波、第2次反射回波和第3次反射回波；波包L1、波包L2和波包L3分別標記為LL，LLLL和LLLLLL，分別表示縱波的第1次反射回波、第2次反射回波和第3次反射回波；波包W1～波包W8分別標記為TL+LT，TLLL+LTLL，TTLL，TTTL+TTLT+LTTT+TLTT，TLLLLL+LTLLLL，TTLLLL+LLTTLL，TTTTLL和TTTTLT+TTTTTL+TTTLTT+TTLTTT+ LTTTTT+ TLTTTT，表示模式轉換產生的反射回波。波包W1表示橫波激發模式轉換為縱波和縱波激發模式轉換為橫波的兩個波包的疊加，其他同理。

圖4 接收超聲波信號處理后的結果

對圖4(c)的包絡信號進行插值，分別取幅值較大的波包(波包T1、波包T2、波包T3、波包L1、波包W1、波包W2、波包W3和波包W4)的最大幅值及其對應時間，數據分別如表1，2所示。其他波包暫不進行分析，故不獲取數據。

表1 橫波反射回波的最大幅值及對應時間

表2 縱波和模式轉換回波的最大幅值及對應時間

記橫波反射回波的波包T1,T2和T3的最大峰值對應的時間分別為tT1,tT2和tT3，橫波的單程傳播路徑時間為tT，則tT1=Δt+2×tT,tT2=Δt+4×tT,tT3=Δt+6×tT。電磁超聲測試系統已被校準，認為系統采樣延時Δt≈0。結合表1，分別取tT1,tT2和tT3的回波時間，計算橫波的平均傳播時間為24 694.53 ns，結合橫波的傳播距離80.04 mm，計算工件中橫波的聲速為3 241.20 m·s-1。計算的橫波平均傳播時間和tT1非常接近，故可看出，系統校準成功。且tT1，tT2和tT3的倍數關系也很明顯，故計算出的橫波聲速比較準確。

同理，記縱波和模式轉換回波的波包L1，W1，W2，W3和W4的最大峰值及其對應時間分別為tL1，tW1，tW2，tW3和tW4，縱波的單程傳播時間為tL，則tL1=Δt+2×tL，tW1=Δt+tT+tL，tW2=Δt+tT+3×tL，tW3=Δt+2×tT+2×tL，tW4=Δt+3×tT+tL。分別計算波包L1，W1，W2，W3和W4的傳播速度分別為5 967.57，5 972.38，5 917.83，5 915.89，5 914.45 m·s-1，將平均值5 937.62 m·s-1記為工件中超聲縱波的聲速。由于波包能量小，幅值較低，計算的縱波傳播聲速浮動相對較大。

結合以上計算的超聲橫波和超聲縱波的傳播聲速，取材料密度為7.86×103kg·m-3，代入式(1)和(2)，計算20鋼材料的楊氏模量和泊松比分別為

(4)

(5)

假設電磁超聲換能器激勵時工件表面的橫波幅值為AT，縱波幅值為AL，工件厚度為d，橫波衰減系數為s，縱波衰減系數為l。記圖4(c)中波包L1，W1，T1，W3和W4的幅值分別為AL1，AW1，AT1，AW3和AW4，則

AL1=γ2AT(1-α)e-2ld

(6)

AW1=2αγATe-(l+s)d

(7)

AT1=(1-α)ATe-2sd

(8)

AW3≈2α(1-α)2γATe-2(s+l)d

(9)

AW4≈2α(1-α)[γ(1-α)+α]ATe-(3s+l)d

(10)

消去指數衰減項，得

(11)

(12)

解得α=9.5%，γ=9.2%。

即橫波轉為縱波(或者縱波轉橫波)的模式轉換效率為9.5%，系統激發縱波的效率是激發橫波效率的9.2%。

4 結語

提出了一種利用電磁超聲波檢測各向同性金屬材料彈性模量的方法。該方法操作簡單，測量方便，并且不需要耦合劑，避免了壓電超聲檢測使用耦合劑帶來的誤差，提高了檢測精度。

借助大功率電磁超聲檢測系統，通過電磁超聲換能器對標準工件(材料為20鋼)進行了檢測，對接收的超聲波信號進行了分析。