陣列EMAT相控延時激勵實現(xiàn)蘭姆波模態(tài)控制與增強的研究

楊三虎，周進(jìn)節(jié)，鄭 陽，賈浩東

(1. 中北大學(xué)機械工程學(xué)院，山西 太原 030051; 2. 中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029)

0 引 言

金屬板廣泛應(yīng)用于航空航天、化工、機械等領(lǐng)域，在使用過程中容易產(chǎn)生裂紋、腐蝕和脫層等。利用金屬板中蘭姆波傳播距離長、衰減小的特性，可以快速實現(xiàn)板中缺陷的長距離、大范圍無損檢測[1-3]。然而，蘭姆波具有多模態(tài)特性，即使在單一激勵頻率下，也存在不同傳播特性的多個模態(tài)的混疊，使信號分析更加困難[4-5]。因此，產(chǎn)生單一模態(tài)蘭姆波，對于板中缺陷檢測意義重大。

電磁超聲換能器(EMAT)因具有非接觸、無需耦合劑、適合高溫、靈活方便等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用[6]。EMAT激發(fā)與接收線圈的設(shè)計依據(jù)波的相干原理[7]，再結(jié)合蘭姆波特點，可以通過設(shè)計線圈結(jié)構(gòu)以達(dá)到抑制蘭姆波多模態(tài)特性。Huang等[8]采用了一個具有反彎曲結(jié)構(gòu)線圈的電磁超聲換能器來產(chǎn)生比較純的A0模態(tài)。Lee等[9]提出了一種在平板中激發(fā)全向S0模態(tài)蘭姆波的調(diào)諧雙線圈EMAT，S0/A0模態(tài)振幅比44.7 dB。Liu等[10-12]先后提出了3種新型的EMAT，分別為由螺旋型線圈和極性相反的同心永磁體對組成的EMAT、全向磁集中器型EMAT、雙層變螺距曲折線圈和不同磁集中器組成的EMAT，可以在鋁板上激發(fā)單個A0、S0模態(tài)。雖然文獻(xiàn)[8-12]中提出的蘭姆波模態(tài)控制方法可以產(chǎn)生單一的周向蘭姆波模態(tài)，對于在需要單方向檢測的場合，如焊縫、窄帶板，周向蘭姆波會使得其他邊界的回波與待解區(qū)間的波疊加，導(dǎo)致信號混亂。Zhang等[13]提出了一種鋁板上下表面成對的曲折型線圈電磁超聲換能器結(jié)構(gòu)，可在鋁板上產(chǎn)生對稱和反對稱單模態(tài)蘭姆波。但使用雙換能器在鋁板上下表面對稱加載，難以應(yīng)用到實際檢測環(huán)境中。

目前，EMAT蘭姆波模態(tài)控制都是通過改變換能器中磁鐵形狀、配置方式或線圈形狀、尺寸等因素來實現(xiàn)單一模態(tài)控制的。上述模態(tài)控制技術(shù)對模態(tài)控制均有一定的效果，但都存在一定的局限性。而當(dāng)將相控技術(shù)引入陣列換能器時，可在不改變EMAT的情況下，通過改變各陣元激勵參數(shù)實現(xiàn)蘭姆波模態(tài)控制。本文在不改變陣列EMAT的情況下，通過計算陣列EMAT頻率響應(yīng)取得最大值時得到的時間延遲施加到各個陣元，實現(xiàn)單一模態(tài)蘭姆波的激勵與增強。同時，研究了激勵頻率對增強陣列EMAT單模態(tài)蘭姆波幅值的影響。

1 基礎(chǔ)理論

1.1 蘭姆波的形成過程

以非鐵磁性鋁板作為被檢材料，EMAT換能機理為洛倫茲力機理。為有效實現(xiàn)超聲蘭姆波模態(tài)控制，結(jié)合電磁超聲相控陣技術(shù)，設(shè)計了八通道陣列EMAT，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，陣元為單根直導(dǎo)線。其換能過程與直線型線圈EMAT換能過程相同，具體換能原理[14]如圖2所示。永磁體產(chǎn)生垂直向下的靜態(tài)磁場Bs，當(dāng)向線圈中通入電流密度為Jc的激勵信號時，會產(chǎn)生動態(tài)磁場Bd，并在下方鋁板表面的集膚深度內(nèi)感生出渦流Je。感生的渦流分別與靜態(tài)磁場Bs與 動態(tài)磁場Bd相互作用，產(chǎn)生并作用于鋁板內(nèi)部的靜態(tài)洛倫茲力fs與 動態(tài)洛倫茲力fd。此時，鋁板表面集膚深度內(nèi)的質(zhì)點會在洛倫茲力的作用下，產(chǎn)生振動形成超聲波并沿鋁板傳播。

圖1 八通道陣列EMAT

圖2 八通道陣列EMAT作用原理圖

超聲波在鋁板中傳播時，由于鋁板厚度較薄，超聲波在遇到鋁板上下邊界后不斷地進(jìn)行反射、折射發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，在板內(nèi)一定時間的傳播之后，超聲波相互疊加形成波包，即蘭姆波的兩種模態(tài)，分別為對稱模態(tài)S與反對稱模態(tài)A。在薄板條件下對運動方程進(jìn)行求解，可求得描述蘭姆波頻散多模態(tài)的方程[15]為：

通過對式（1）與式（2）求解得出鋁板不同頻厚積下的相速度與群速度，圖3為1 mm鋁板的頻散曲線。

圖3 1 mm鋁板蘭姆波頻散曲線圖

1.2 多通道陣列EMAT延時方法

從圖3頻散曲線可以看出，鋁板中的蘭姆波在低頻時仍然至少存在S0與A0兩種模態(tài)，這對后續(xù)的信號分析與處理增加了難度。因此，設(shè)計了八通道陣列EMAT希望激發(fā)單一S0模態(tài)，并對其進(jìn)行相位延時控制增強S0模態(tài)幅值。

由于鋁板中渦流集膚深度較小，且遠(yuǎn)小于導(dǎo)波波長，因此可將集膚深度內(nèi)的洛倫茲力近似為表面力[14]。結(jié)合壓電相控?fù)Q能器陣列導(dǎo)波模態(tài)控制法[16]，提出電磁超聲多通道陣列EMAT延時方法，具體如下：

F(ω)、Cn(z)是由陣元特性和導(dǎo)波模態(tài)決定的，從式（4）可以看出H(ω)取最大值時，換能器陣列激發(fā)的導(dǎo)波模態(tài)的信號幅值達(dá)到最大。

通過對陣列EMAT中的各個陣元進(jìn)行一定的延時之后，以增強蘭姆波中S0模態(tài)。

從式（6）可以看出，當(dāng)延遲時間滿足式（7）時，換能器陣列激發(fā)的導(dǎo)波模態(tài)的信號幅值達(dá)到最大。

此時，陣列EMAT激發(fā)的S0模態(tài)的信號幅值達(dá)到最大，陣列EMAT相控延時示意圖如圖4所示。

圖4 相控延時示意圖

2 八通道陣列EMAT蘭姆波實驗

2.1 八通道陣列EMAT蘭姆波實驗系統(tǒng)

本節(jié)在鋁板上進(jìn)行陣列EMAT蘭姆波檢測實驗，驗證相控延時激勵對蘭姆波模態(tài)控制與增強的效果。實驗系統(tǒng)如圖5所示，激勵換能器為八通道陣列EMAT，接收換能器為壓電換能器，電腦控制信號的激勵與接收，EMAT主機（線性功率放大器）放大激勵信號與接收信號。八通道陣列EMAT與壓電換能器均布置在鋁板表面，且位于鋁板中心線上，根據(jù)頻散曲線，為易于分辨不同模態(tài)的蘭姆波，本次實驗中設(shè)置兩者之間的距離為200 mm，壓電換能器距左邊界處的距離為200 mm。

圖5 八通道陣列EMAT實驗系統(tǒng)圖

八通道陣列EMAT由永磁體、線圈、鋁板組成。其中永磁體的材料為釹鐵硼N49，剩磁強度為1 T，幾何尺寸（長×寬×高）為 50 mm×50 mm×15 mm，線圈采用PCB線圈，陣列EMAT一共由8根直導(dǎo)線（8個陣元）構(gòu)成，直導(dǎo)線的尺寸（長×寬）為84 mm×1.5 mm，各陣元間距均為2 mm。本實驗中的接收換能器選擇壓電橫波換能器，以取得較好的接收效果。鋁板尺寸（長×寬×高）為 1 200 mm×1 200 mm×1 mm。

2.2 八通道陣列EMAT蘭姆波模態(tài)控制實驗

由于開發(fā)的EMAT主機不能同時對各陣元添加激勵信號，因此本實驗依次對1～8陣元進(jìn)行激勵，然后用壓電換能器分別接收信號，最后對信號分別進(jìn)行無延時與延時處理。具體實驗過程如下：

1）選擇激勵頻率為以350 kHz為中心頻率的3周期漢寧窗調(diào)制正弦波，接通八通道陣列EMAT的陣元1，設(shè)定線性功率放大器中的增益系數(shù)，壓電換能器接收陣元1激發(fā)的蘭姆波信號，并記錄為S1。

2）斷開八通道陣列EMAT的陣元1并接通陣元2，激勵頻率和增益系數(shù)保持不變，依然用壓電換能器接收陣元2激發(fā)的蘭姆波信號，并記錄為S2。重復(fù)上述步驟，依次進(jìn)行1～8陣元實驗，并記錄信號。

3）信號進(jìn)行無延時處理。將步驟2）中壓電換能器接收到的陣元1～8激發(fā)的蘭姆波信號依次進(jìn)行疊加，其結(jié)果記為無延時信號SORI。

4）信號進(jìn)行延時處理。首先由公式（8）計算出各陣元相控延時激勵參數(shù)，得到1～8陣元的延遲時間分別為：0，374.3，748.6，1122.9，1497.2，1871.5，2245.8，2620.1 ns。由于各陣元延時激勵，即陣元1中有激勵信號時，陣元2～8還未通入激勵信號，所以必須通過軟件控制壓電換能器接收到的陣元2～8激發(fā)的蘭姆波信號以補零的方式向后延遲，將1～8陣元延遲后的實驗數(shù)據(jù)記為SDEN（N=1～8），最后將SDEN依次累加得到延時信號SDEL。

2.3 實驗結(jié)果分析

以激勵頻率350 kHz為例，對八通道陣列EMAT蘭姆波模態(tài)控制效果進(jìn)行說明。圖6為單個陣元激勵時，壓電換能器接收到的蘭姆波信號。由圖可知，接收信號中出現(xiàn)了2個波包，根據(jù)實驗中換能器的布置關(guān)系，這2個波包分別對應(yīng)于S0模態(tài)直達(dá)波和一次回波，沒有接收到A0模態(tài)，因為永磁體產(chǎn)生垂直向下的靜態(tài)磁場Bs，靜態(tài)磁場Bs遠(yuǎn)大于動態(tài)磁場Bd，因此在鋁板內(nèi)部形成的洛倫茲力以水平方向為主，從而激發(fā)出S0模態(tài)。圖7為八通道陣列EMAT無延時激勵時，接收信號中也只有S0模態(tài)直達(dá)波和一次回波，且S0模態(tài)幅值與圖6中單個陣元激勵接收到的S0模態(tài)幅值相差很小，但波形變得很差；同樣地，延時激勵時，圖8接收到的蘭姆波信號中也只包含S0模態(tài)，且S0模態(tài)信號呈現(xiàn)更良好波形。因此，本文設(shè)計的八通道陣列EMAT通過相控延時可以激勵出具有良好波形的單一S0模態(tài)。

圖6 單個陣元激勵接收信號

圖7 無延時激勵接收信號

圖8 延時激勵接收信號

為驗證陣列EMAT相控延時激勵對S0模態(tài)的控制與增強效果，分別提取單個陣元激勵與延時激勵接收信號、無延時激勵與延時激勵接收信號進(jìn)行對比，如圖9和圖10所示。從圖9可知，相對于單個陣元，使用八通道陣列EMAT檢測接收到的蘭姆波信號幅值有明顯的增強。同樣地，從圖10可以看出，陣列EMAT延時激勵比無延時激勵蘭姆波信號幅值增強了約7.3倍，說明本文提出的八通道陣列EMAT相控延時激勵對S0模態(tài)的增強效果是非常明顯的。

圖9 單個陣元激勵與延時激勵接收信號對比

圖10 無延時激勵與延時激勵接收信號對比

為研究激勵頻率對陣列EMAT相控延時激勵時蘭姆波信號的影響，在不同激勵頻率下進(jìn)行各陣元激勵時間延遲的設(shè)計，結(jié)果如表1所示。

表1 不同激勵頻率下各陣元延遲時間μs

將表1得到的延遲時間添加到八通道陣列EMAT各陣元上，并進(jìn)行蘭姆波檢測實驗。在不同激勵頻率下，分別提取無延時激勵的S0模態(tài)蘭姆波幅值與延時激勵的S0模態(tài)蘭姆波幅值，如圖11和12所示。從圖中可以看出，隨著激勵頻率的增大，無延時激勵與延時激勵接收到的S0模態(tài)幅值逐漸減小。這是因為隨著激勵電流頻率的升高，鋁板表面集膚深度減小，換能區(qū)域面積減小；其次由于頻率升高，激勵的超聲波波長變短，這使得其在鋁板中衰減加快。因此，當(dāng)激勵頻率升高，S0模態(tài)幅值減小。

圖11 各頻率下無延時激勵S0模態(tài)幅值

圖12 各頻率下延時激勵S0模態(tài)幅值

為研究相控延時激勵使S0模態(tài)增強效果最好的激勵頻率，圖13為各頻率下延時/無延時激勵S0模態(tài)的幅值比。

可以看出，在不同頻率下對各陣元進(jìn)行相位延時控制后，S0模態(tài)信號幅值均得到了提高，且在激勵頻率為400 kHz時，延時激勵后S0模態(tài)幅值是無延時激勵S0模態(tài)幅值的8.3倍，S0模態(tài)的信號幅值比達(dá)到最大。因此在400 kHz的激勵頻率下，單一S0模態(tài)控制與增強效果最好。

圖13 各頻率下延時前后S0模態(tài)幅值對比

3 結(jié)束語

本文在鋁板中進(jìn)行了陣列EMAT相控延時激勵實現(xiàn)蘭姆波單一模態(tài)控制與增強研究，得出以下結(jié)論：

1）在以鋁板為代表的非鐵磁性材料中提出了一種基于相控延時激勵的陣列EMAT蘭姆波模態(tài)控制與增強方法，可通過計算得到各通道的延時激勵參數(shù)。

2）研制了八通道陣列EMAT實驗裝置，在激勵幅值和八通道陣列EMAT相同的情況下，通過延時方法得到各通道延時參數(shù)，對各陣元激勵信號添加一定的延時，有效實現(xiàn)單一S0模態(tài)的控制與增強，經(jīng)對比可以得出，將幅值最大提高了8.3倍。

3）研究了激勵頻率對陣列EMAT相控延時激勵S0模態(tài)信號的影響，得到了S0模態(tài)增強效果最好的激勵頻率。

本研究為使用相控陣實現(xiàn)單模態(tài)蘭姆波檢測提供了可行的技術(shù)手段，希望進(jìn)一步提高陣列EMAT在實際檢測中的應(yīng)用。