大口徑火炮身管藥室內膛裂紋電磁超聲表面水平剪切波檢測方法

張金， 王學彬， 石文澤， 董子華， 鄧海飛

(1.陸軍炮兵防空兵學院, 安徽 合肥 230031; 2.南昌航空大學 無損檢測教育部重點實驗室, 江西 南昌 330063)

0 引言

身管內膛在火炮發射過程中處于高溫高壓和高速摩擦的環境中，使其產生了諸多損傷，其中微小的疲勞裂紋是較為常見的損傷形式。這種裂紋在射彈帶來的循環應力下逐漸擴展，如不能準確檢測微裂紋的尺寸及特征，便不能了解裂紋擴展進程，難以正確預估武器裝備剩余使用壽命，不僅使火炮戰術技術指標下降，甚至會發生炸膛等危險事故[1-2]。目前常用的身管內膛檢測方法有內徑測量法、漏磁檢測法、光電檢測法、超聲檢測法等[3]，但光電檢測無法檢測隱含裂紋，使用條件苛刻，導向機構容易對身管內壁造成二次損傷。超聲表面波不僅能對工件表面或近表面缺陷進行有效檢測，而且適合遠距離高效檢測[4]。因此，對于身管內膛多裂紋的損傷形式，表面波應用于身管內膛檢測具有一定潛力。

表面水平剪切波(SH波)是基于表面波研究基礎上的一個新分支，通常采用半空間模型展開研究。1911年，Love[5]發現各項同性層狀結構中SH導波傳播只集中在表面傳播，沿厚度方向很快衰減，因此被稱為表面SH波。由于其傳播特性使得表面SH波不易于發生模態轉換，在遇到界面不連續或邊界處損失能量較小，更易于信號分析及缺陷檢測。表面SH波的激勵方式主要是通過周期性永磁體陣列(PPM)的電磁超聲換能器(EMAT)進行激勵[6]，通過對探頭的線圈參數和永磁體尺寸的優化設計，可達到理想的檢測效果。

表面SH波的研究主要集中在兩個方向，表面SH波在具有初應力結構中的傳播和磁電性介質的傳播。魏智等[7]發現層狀結構中存在初應力時會對表面SH波的傳播存在影響，并通過仿真發現當初應力達到一定數值后會明顯改變表面SH波的換能效率和傳播距離。劉華等[8]、Liu等[9]研究了壓電層狀結構中表面SH波的傳播規律，并分析了初應力存在對表面SH波傳播的影響。Wang等[10-11]根據Eshelby的能量- 動量概念推導了磁電彈性介質的守恒積分，首次將表面SH波應用于磁電彈性介質中，并研究了磁電介質中存在任意夾雜的問題，得到表面SH波在各項同性磁電介質的一般解，擴大了表面SH波的應用范圍。隨后，Pan等[12]、Chen等[13]分析了各項異性功能梯度材料磁電介質和多層板中表面SH波的傳播，并給出了三維精確解。近年，張朋威等[14]對求解層狀半空間結構的方法進行改進，分析了帶有梯度壓電覆層情況下的表面SH波頻散曲線。Li[15]通過表面SH波頻散曲線對波動方程進行反演，發現表面SH波相比表面波具有更好的收斂性，信噪比更低。Ezzin等[16]研究了功能梯度壓力薄膜中表面SH波的傳播行為，得到了梯度系數與磁機電耦合系數的關系。

目前常見的SH波研究主要集中對平板結構和焊縫中尺寸較大缺陷進行檢測[17]，而對厚壁管道內表面微裂紋檢測研究較少。表面SH波因其平行于表面邊界的極化性質，在邊界處損失的能量更少，與傳統斜入射超聲檢測相比，受厚壁管道內壁的附著物影響較小，且可以實現單點激勵，長距離檢測，檢測效率較高。為此，本文在分析EMAT所激勵的表面SH波輻射聲場特性基礎上，在多物理場仿真軟件COMSOL Multiphysics中對內壁含有交叉裂紋的大口徑火炮身管藥室進行參數化建模，探究表面SH波與不同夾角裂紋的作用規律，最后搭建實驗系統，對已預制不同夾角裂紋的試件進行檢測，分析仿真和實驗結果，驗證表面SH波身管內膛裂紋檢測方法的可行性。

1 表面SH波武器身管藥室檢測方法及EMAT換能機理

1.1 身管藥室檢測方法

大口徑火炮身管藥室壁厚較厚，內膛較為光滑，網狀分布的裂紋加大了檢測和維護的難度。為此，本文針對藥室內膛處多裂紋損傷提出基于表面SH波的檢測方法，檢測方案如圖1所示。

圖1 表面SH波檢測方案Fig.1 Detection scheme of surface SH wave

EMAT激勵端、接收端沿藥室內膛軸向放置，所激勵表面SH波將沿身管軸向方向在藥室內膛傳播，當傳播路徑中出現不連續界面導致的缺陷時，表面SH波與其發生反射作用，反射回波由EMAT接收端接收，以此獲得傳播路徑內所含的缺陷信息。激勵端與接收端通過連桿連接，沿藥室內膛周向方向同步旋轉一周即可獲得身管藥室內膛表面的損傷信息。

1.2 表面SH波EMAT換能機理

EMAT換能過程主要涉及提供偏置靜磁場的磁鐵、載有高頻信號的線圈和在其內部激發和傳播表面波的被測試件3部分。通過設計不同結構的磁鐵及線圈的組合以激發不同類別的超聲波，其中：常見磁鐵結構有圓柱體、馬蹄形、長方體等；常見線圈結構有螺旋線圈、曲折線圈、跑道線圈等。根據超聲波產生機理的不同，EMAT可劃分為基于洛倫茲力機理的EMAT和基于磁致伸縮機理的EMAT兩種，本文主要采用基于洛倫茲力原理的EMAT，并選用周期性永磁鐵陣列(PPM)及跑道線圈的組合，以激發表面SH波。

表面SH波是在彈性層內質點振動方向垂直于傳播方向的表面波，激勵原理如圖2(a)所示。當高頻電流通入跑道線圈時，將會在被測試樣表面感生出方向相反、頻率相同的感應電渦流，靜磁場與渦流相互作用產生洛倫茲力，該洛倫茲力將與高頻電流同頻率的彈性波發射至試件表面，沿軸向傳播，便實現了SH波的激勵過程[18]，EMAT內部構造實物圖如圖2(b)所示。將質點受擾動帶來的逾壓稱為聲壓，以描述聲波過程，聲壓與質點振速具有一定關系。當厚壁管道厚度超過4倍的波長時，SH波在管道表面以表面SH波的形式傳播，激勵頻率f[5]滿足：

圖2 表面SH波EMAT激勵換能機理及內部構造實物圖Fig.2 Mechanism of surface SH wave EMAT excitation and the physical map of internal structure

(1)

式中：v為波速；λ為波長；d為磁鐵間距。

2 EMAT參數對輻射聲場特性的影響

表面SH波EMAT的激勵性能與設計參數有關，如圖3所示。其中永磁體長度l、高度H和寬度，永磁體對數，永磁體剩磁，換能線圈導線高度b、寬度a、間距dc，提離距離h，永磁體與線圈間距均會影響EMAT換能效率，且永磁體尺寸對換能效率的影響最大[19-20]。

圖3 EMAT主要設計參數Fig.3 Main design parameters of EMAT

2.1 表面SH波EMAT輻射聲場特性分析

因表面SH波僅沿表面傳播的特征，可將厚壁藥室簡化為薄管模型，以降低運算量。如圖4(a)所示，建立內徑177 mm、外徑197 mm、長400 mm的管道模型，為便于計算取完整身管截面的1/9，并將其特定邊界設置為低反射邊界。模型選用的材料為PCrNiMoVA，楊氏模量為214 GPa，泊松比是0.271，密度為7 932 kg/m3. 通過在被測試樣表面加載方向相反、大小相同的單位載荷，用于模擬在偏置磁場作用下，試樣表面的感應電渦流所形成的洛倫茲力，加載方式如圖4(a)所示。

圖4 表面SH波傳播有限元模型及其輻射聲場Fig.4 Finite element model of surface SH wave propagation and its radiated sound field

由洛倫茲力所激發的超聲波在金屬材料中的傳播過程[21]可表示為

(2)

式中：ρ為材料密度；u為位移矢量；σ為應力；T為應力張量。

根據(2)式可計算表面SH波在薄管中的位移分布，因表面SH波的能量與振幅的平方呈正比，故可以取位移振動信號來表征輻射聲場，如圖4(b)所示表面SH波聲壓隨著距離的增加逐漸減小，當距離大于一定值時，聲壓發散，同時表面SH波沿著厚度方向，能量集中于表面5 mm內，因此可以對表面各個位置的微小裂紋進行有效檢測。

表面SH波的激勵頻率可由(1)式推導出，3 mm永磁體寬度所對應的激勵頻率為0.54 MHz. 以薄管模型內表面振動總位移表示聲場分布，如圖4(b)所示，并標記L線上總位移最大值為焦點，選取聲束主瓣與旁瓣交界處邊界線和L線夾角為發散角，以反映聲束的定向集中程度。

2.2 永磁體對數、長度對表面SH波輻射聲場的影響

為探究永磁體對數變化對表面SH波輻射聲場的影響情況，選取最佳聲場下的永磁體設置參數，提取不同對數、長度的永磁體輻射聲場仿真云圖中發散角α、β及焦點位置數據如表1和表2所示。

表1 不同對數的永磁體聲束特征數據Tab.1 Sound beam feature data of magnets with differentpair numbers

表2 不同長度的永磁體聲束特征數據Tab.2 Sound beam feature data of magnets withdifferent lengths

由表1可知，發散角隨著磁體對數增加而減小，故對數越多，聲束指向性越好，利于檢測，而磁體對數對于焦點位置影響較小且規律并不明顯。

不同永磁體對數對L線沿線聲壓的影響，經歸一化處理如圖5所示。當距離向遠處延伸時，不同永磁體對數沿L線上位移分布呈現出先增加、后減小的趨勢。隨著磁體對數增加，L線處位移分布整體增大，可見磁體對數對于能量幅值的影響較大。當永磁體對數由6對增加至16對時，位移幅值增加了約161.8%。理論上，永磁體對數越多，表面SH波能量集中性越好，檢測效果越好，但當表面SH波永磁體對數過多，會使EMAT尺寸過大，檢測盲區變大，不利于內壁多裂紋檢測，因此，為了確保表面SH波的檢測效果，永磁體對數取12對。

圖5 沿管道軸向L線(如圖4)不同磁體對數對應的聲壓Fig.5 Acoustic pressure along Line L (Fig.4) in the axial direction of the pipe with different pair numbers of magnet

由表2可知，發散角隨著磁體長度增加而增大，故長度越大,聲束指向性越差，不利于檢測。焦點位置隨著磁體長度的增加而逐漸后移，當磁體長度由10 mm增加至30 mm時，焦點位置后移約143.7 mm，可見永磁體長度對于焦點位置有較大影響。

不同永磁體長度對L線沿線聲壓的影響，如圖6所示。當距離向遠處延伸時，不同磁體長度的沿L線處位移分布呈現出先增加、后減小的趨勢。當長度過長時，L線近EMAT處兩組激勵源未發生相干而導致位移分布出現斷層。焦點位置隨著磁體長度的增加而逐漸后移，但磁體長度對于聲束軸線處位移分布影響較小。理論上，永磁體長度越長，表面SH波能量焦點位置越遠，可檢測范圍越大，但當表面SH波永磁體長度過長，會使EMAT尺寸過大，難與身管內壁貼合，不利于內壁裂紋檢測，因此，結合常用永磁體尺寸，永磁體長度取20 mm.

圖6 沿管道軸向L線(見圖4)不同磁體長度對應的聲壓Fig.6 Acoustic pressure along line L (Fig.4) in the axial direction of pipe with various magnet lengths

3 缺陷檢測可行性分析

3.1 身管藥室有限元模型

以某型火炮身管藥室部分為例，在COMSOL Multiphysics有限元軟件中建立內徑和外徑分別為177 mm、297 mm的管道，軸向長度取400 mm. 因模擬真實的裂紋比較困難，本文將其簡化為交叉雙裂紋進行研究。采用控制變量的方法，改變交叉雙裂紋的夾角γ，觀察表面SH波回波信號的變化規律。

載荷的加載函數ft(t)如(3)式所示，加載方式如圖7所示。

圖7 身管藥室有限元模型Fig.7 Finite element model of barrel chamber

(3)

式中：k代表線圈的序號；ω為中心頻率，ω=2πf；n表示正弦脈沖串個數。

3.2 交叉裂紋檢測分析

在管道內壁預制6組不同夾角的交叉裂紋，周向寬10 mm，軸向長0.01 mm，徑向深2 mm，將垂直于表面SH波傳播方向的裂紋固定設置，另一條裂紋與之相交于中點，定義其銳角為交叉傾角，并將角度分別設置為0°、15°、30°、45°、60°、90°，不同夾角使缺陷回波發生變化，其中以幅值變化最為明顯，因此選擇回波幅值絕對值作為評價依據。

分別提取不同夾角裂紋缺陷回波信號的面內位移幅值，如圖8所示。當裂紋夾角為0°時，面內位移幅值最大，這是由于此時裂紋反射面完全垂直于表面SH波傳播方向，反射面面積最大。隨著裂紋夾角增加，面內位移呈現先增加、后減小的趨勢。當裂紋夾角大于60°時，面內位移大幅下降。

圖8 不同交叉裂紋夾角缺陷回波幅值Fig.8 Echo amplitudes of defects with different cross crack angles

為探究交叉裂紋夾角與表面SH波的作用規律，對交叉裂紋夾角為90°時的聲場進行分析，如圖9所示。由圖9可知，當表面SH波遇到寬度較小的裂紋尖端時，會被裂紋尖端割裂，成多個具有一定夾角的波束向前傳播，大部分表面SH波發生透射穿過缺陷繼續向前傳播，其余表面SH波與缺陷界面形成反射回波。因此，當裂紋夾角逐漸增大時，反射面積雖然減小，但根據惠更斯原理，反射體可視為新的聲源，因為反射波常是擴散的，而當反射面積越小擴散范圍越小，EMAT所能接收到的回波也就越大。而當夾角大于60°時,割裂作用使反射回波減小，缺陷回波幅值逐漸降低。

圖9 表面SH波與90°交叉裂紋作用云圖(66.2 μs時刻)Fig.9 Propagation process of surface SH wave in pipe with 90° cross crack angle (66.2 μs)

綜上所述，可以通過分析缺陷回波幅值判斷交叉裂紋夾角變化：當交叉裂紋夾角在0°～60°之間時，隨著交叉裂紋夾角增加，回波幅值逐漸增加，適宜進行夾角檢測；當交叉裂紋夾角大于60°時，表面SH波被割裂，回波幅值大幅降低，不適宜檢測。同時，以上分析為下一步采用反射系數法[22]、周向散射圖譜[23]等方法對缺陷進行深入表征奠定基礎。

4 實驗驗證

4.1 實驗環境搭建

實驗采用美國Agilent公司生產的Agilent 33220A型號信號發生器產生激勵0.54 MHz的正弦脈沖串，經美國RITEC公司生產的RIEC GA-2500A型號功率放大器放大，通過阻抗匹配電路將激勵電壓加載至激勵端EMAT，再由接收端EMAT將接收到的微弱振動轉化為電流信號，通過后置阻抗匹配系統后，將回波信號輸入到高(低)通濾波器和Olympus 5072PR放大器進行濾波和超低噪音的信號放大，由數據采集卡完成模數轉換后，將數據送入數據采集顯示處理終端，從而完成數據采集、波形顯示和數據存儲，實驗系統原理如圖10所示。

圖10 電磁超聲表面SH波檢測實驗系統Fig.10 Experimental system for electromagnetic acoustic surface SH wave detection

對于155 mm火炮身管藥室部分來說，其內壁交叉裂紋難以加工，同時因曲率半徑遠大于表面SH波波長，可忽略波速和相位受曲率的影響，因此實驗采用厚板進行檢測。根據(2)式可知在波的傳播過程中，僅受金屬材料密度、泊松比和彈性模量影響，因高強度炮鋼難以獲取及加工，故選擇聲學參數與之相近的45號鋼進行實驗，被測試樣長600 mm，寬350 mm，厚35 mm. 雖人為裂紋較實際裂紋更為規則，但聲波遇不連續界面發生的作用相同，可類比實際裂紋帶來的變化，因此對鋼板正反面加工不同夾角尺寸的交叉裂紋，如圖11所示，圖11為夾角為45°的交叉裂紋實物圖。裂紋尺寸設置與第3節仿真中相同。表面SH波換能器實物如圖12所示。換能器與裂紋的相對位置如圖13所示。

圖11 被測試樣實物圖Fig.11 Photo of test sample

圖12 表面SH波EMAT實物圖Fig.12 Photo of surface SH wave EMAT

圖13 裂紋與EMAT的相對位置及表面SH波在試樣內的傳播路徑Fig.13 Relative position of crack and EMAT, and propagation path of surface SH wave in test sample

4.2 數據分析

實驗激勵信號為6周期的正弦脈沖串，通過對不同夾角裂紋進行實驗，對得到的缺陷回波進行采集，夾角為90°的交叉裂紋缺陷回波信號如圖14所示。由圖14可知，回波信號中出現了4個波包，由于表面SH波在該試件中的傳播速度約為3 260 m/s，按照飛行時間計算可知，從左到右的順序依次是直達波、缺陷波、右上端角回波和右下端角回波。表面SH波實驗信噪比達到19.38 dB，遠高于標準值6 dB，因此表面SH波檢測實驗信號質量較好，實驗結果可信。

圖14 90°交叉裂紋夾角的實驗回波波形Fig.14 Experimental echo waveform of 90° cross crack angles

對采集到的缺陷信號進行數據處理，提取不同缺陷波包包絡線的最大幅值，并與仿真結果進行對比，如圖8所示。由圖8可知：當交叉裂紋夾角為0°時，回波幅值最大；隨著裂紋夾角增加，回波幅值逐漸增加，但當裂紋夾角大于60°時，裂紋尖端會將表面SH波割裂，使回波幅值突然下降；實驗變化趨勢與仿真結果一致，驗證了仿真結果的正確性。

5 結論

本文提出了大口徑火炮身管內膛裂紋電磁超聲表面SH波檢測方法。探究EMAT永磁體尺寸參數對輻射聲場的影響，分析表面SH波與交叉裂紋作用規律，得出主要結論如下：

1)表面SH波可以有效地對大口徑火炮身管內膛裂紋進行識別，檢測結果可信，回波信號質量較好，為大口徑火炮身管內膛裂紋特別是非表面開口的淺層隱含裂紋的超聲檢測及其快速成像檢測提供了一種可行的技術方案。

2)表面SH波跑道線圈EMAT永磁體參數對所激勵表面SH波輻射聲場有重要影響。其中：隨著永磁體對數增加，聲場能量增強，面內位移增大、發散角減小，聲束指向性增加；隨著永磁體長度增加，焦點向遠處延伸、發散角增大、聲束指向性降低。可針對不同檢測需求，調整永磁體參數，便于檢測。

3)當缺陷夾角較小時，缺陷回波隨著夾角的增加而增大，但表面SH波與寬度較小裂紋尖端接觸所產生的割裂作用會使信號發生割裂，使缺陷回波幅值下降，容易造成缺陷漏檢。下一步可以探究裂紋夾角與回波信號的量化關系，以提高缺陷形貌識別的精度。