板状结构缺陷电磁超声导波检测技术研究进展

刘 燕，王悦民，孙丰瑞，申传俊

（1.海军工程大学 理学院，武汉 430033；2.海军工程大学 船舶与动力学院，武汉 430033）

近些年来，作为船舶维修手段之一的导波无损检测技术，得到普遍重视，在船舶维修保障中发挥了极其重要的作用。导波探伤适用性广泛，可以使用在几乎所有船舶部件的无损检测上，包括管材、板材、铸件、锻件和焊缝。其中板件由于在制造、成形过程中不可避免地存在少量缺陷，如分层、裂纹、划伤等，同时由于外部加载以及使用环境的变化，也可能引起板件内部细小缺陷的扩展，进而造成破坏性事故，因此，对这些板形构件进行定期检测，具有十分重要的意义。

对于板壳结构，常规的超声检测方法是超声C扫描法［1－2］，也就是用探头对被测工件进行逐点扫描，形成C扫描图像，从而检测工件是否存在缺陷。当被检工件较大时，C扫描方法很费时，效率较低。随着大型工件在工业中越来越广泛的应用，需要一种高效便捷的检测方法对其进行快速检测。相对于常规超声波而言，超声导波能够进行快速、长距离、大范围、成本相对低的无损检测，因此，目前导波无损检测技术已成为超声检测领域研究的热点。国内外众多学者针对板结构的健康检测进行了大量的研究工作［3－4］，包括含多处损伤板结构［5］对导波的散射问题，用数值计算方法研究了损伤周围散射位移场的分布情况；利用导波对板厚2.76mm并蚀刻了一个人工腐蚀缺陷的钢板［6］进行探测，通过分析不同模态对缺陷的敏感程度，选择合适的模态用于对板状结构中隐蔽腐蚀缺陷的检测；对导波在各向异性层状介质中［7］的传播特性进行研究，提出缺陷检测的算法，并利用该算法对有两处损伤的复合板进行检测。

对于厚度为几个波长的薄板，当超声波传播一定距离后由于薄板上下表面不断反射，使得此时超声波已不再是普通的横波或纵波，而是一种新的超声波形式，即兰姆波。由于兰姆波在板中传播时声场遍及整个壁厚，传播距离较长且衰减较小，因此兰姆波常用于板状材料的检测。电磁超声换能器（EMAT）激励兰姆波的技术可以用于非接触、快速、全面地评估板材的健康状况，无需加入耦合剂、重复性好，但相对压电传感器来说，其主要不足是换能效率比较低，因此，目前有很多研究者在控制导波的相关噪声和信号提取方面做着进一步的研究。

1 用EMAT激发兰姆波

EMAT技术的核心是电磁超声换能器，该器件与传统的压电超声换能器的本质区别在于其发射接收方式不同。EMAT靠电磁效应发射和接收超声波，其能量转换在被测工件表面的集肤层内直接进行，不需要与工件接触并且不需要任何耦合介质。电磁超声产生弹性波的机理主要依赖于材料的性质。在非铁磁材料中，声波的产生是洛伦兹力作用在材料晶格上的结果；在铁磁材料中，磁致伸缩机制则是主要的换能机制。

电磁超声在铁磁材料中激励Lamb波的探头结构如图1所示，曲折线圈和平行于Lamb波传播方向的静偏磁场是探头的主要构成［8－9］。

图1 电磁声传感器激发Lamb波的工作机制

BS为EMAT磁铁产生的静磁场，曲折线圈在高频大功率发射电流JC激励下在工件中产生交变电磁场Bd，并在工件集肤深度内感应出涡流JE；洛仑兹力F由下式给出［8］：

磁致伸缩是指当铁磁材料磁化状态发生改变时，其长度、体积或形状相应发生变化的现象，变化形式主要有线性磁致伸缩、体积磁致伸缩和由退磁能引起的形状效应等，后两种变化一般都非常微弱。引起Lamb波激励的主要是等体积的线性磁致伸缩效应。

图2所示为磁致伸缩效应激励SH0模式板波的机理［10］，当曲折线圈中通以高频交变电流时，将在材料表层内感应出动态的交变磁场，如果忽略位移电流，按照安培定律会产生出动态的交变涡流，在静态偏置磁场Hs作用下，发生磁致伸缩效应并产生应力，应力对材料晶格作用，从而产生应力波。低碳钢薄板SH0模式板波的幅值最初随着静态磁场增加到最大值，然后逐渐减小到最小值，最后随着相位倒置90°，增加到最大值。

图2 磁致伸缩型电磁声传感器激发SH0板波的工作机制

图3所示为磁致伸缩效应激励S0模式Lamb波的机理，低碳钢薄板S0模式板波的幅值最初随着静态磁场减为最小值，然后随着相位倒置180°而增加，最后在没有相位倒置下减少。

图3 磁致伸缩型电磁声传感器激发S0模式Lamb波的工作机制

曲折线圈的制作可以采用扁平电缆、铜线等不同的方式，还可以将其做成印制电路板以提高换能效率并使其更加耐用。线圈的间距是EMAT设计的关键因素，其设计必须满足相位匹配条件，即线圈间距为Lamb波波长的一半：

式中λ为波长；cP为波速；f为频率；d为相邻两导线的中心距离。满足相位匹配条件的线圈能使换能效率达到最大，激发和接收的信号幅值最高。

目前，EMAT应用很广，包括对金属母材的缺陷探测、焊缝的检测、测厚、复合材料的检测、铁路铁轨、车轮的检测、应力测量和高温检测等。Raymond W Tucker［11］等利用EMAT对天然气管道的焊缝与裂纹进行探测。Hirotsugu Ogi［12］等利用EMAT产生轴向剪切波，对旋转轴的疲劳裂纹进行探测，以评估其寿命。Won－Bae Na［13］等利用 EMAT对填充混凝土的钢管由于腐蚀而造成的壁厚变化以及管内压力值的变化进行了研究，并利用柱状波对钢管的缺陷进行检测，取得了比较好的效果。

在板状结构缺陷研究方面，Riichi Murayama［14－15］等人做了大量的研究，他们利用 EMAT对冷轧钢板可塑变形进行检测研究，比较了洛仑兹力型和磁致伸缩型EMAT基本性能，用1mm厚的冷轧钢板为例，磁致伸缩型EMAT检测到的最大信号幅值出现在磁化电流增加到中间的位置，而洛仑兹力型EMAT检测到的信号幅值随着磁化电流的增加而增大。与洛仑兹力型EMAT相比，磁致伸缩型EMAT选取的最优化电流不到洛仑兹力型EMAT磁化电磁体所用最大电流的十分之一，而磁致伸缩型EMAT产生的最大幅值是洛仑兹力型EMAT的5倍多。同时，他们还利用EMAT开发了超声波检测机器人［16］，既能激励SH平板波又能激励Lamb波，用以对存储器和管道进行自动检测。Dixon［17］等人设计了一套非接触EMAT装置，在铝板和钢板中产生和检测Lamb波和瑞利波，并且还设计了双探头［18－19］形式，用以表面缺陷和次表面缺陷的检测。

国内最早将电磁声用于无损检测研究的是北京钢铁研究院的张广纯等［20－21］，他们通过发射大功率脉冲信号，在厚度为18mm的钢板中产生Lamb波检测缺陷，所用发射机功率＞50kW。为了消除EMAT检测的盲区，该技术采用了两个线圈同时进行检测。目前对电磁声无损检测进行研究的机构有上海交通大学、中国科学院声学研究所、中国矿业大学、清华大学。朱红秀［22］通过试验研究，确定了电磁超声换能器最佳励磁电流，并利用ANSYS有限元软件，对用于钢管缺陷检测的电磁声换能器的磁感应强度进行了计算，得到磁感应强度的分布规律。上海交通大学的张志刚、阙沛文［23］等人设计了一种新颖的SH波和Lamb波双模式电磁超声换能探头，可有效应用于工业板材或管材的自动化在线检测。清华大学的张永生、黄松岭［24］等人设计了一种基于电磁超声的钢板裂纹检测系统，可以直接在钢板中激发超声波，对裂纹的定位误差≤1%。相对传统的PET探伤装置，EMAT探伤速度更快，例如EMAT自动探伤装置针对24m长钢板的一个探伤周期仅为34s，EMAT可在板内形成均匀的电磁超声波场，使各区域的检测灵敏度均匀，同时相邻EMAT探头间易形成重叠区域，满足一些特殊的探伤要求。

2 EMAT的优化设计

在EMAT中，换能器已不单是通以交变电流的涡流线圈以及外部固定磁场的组合体，金属表面也是换能器的一个重要组成部分，电和声的转换是靠金属表面来完成的。为了提高EMAT的检测效率，EMAT自身的设计至关重要。相对压电传感器来说，EMAT的主要不足是其换能效率比较低。对以洛仑兹力为原理工作的EMAT，当体波的波长远大于集肤深度，且忽略因衍射而引起的损耗和放大器产生的噪声，并假定已实现理想的匹配时，可以得到信噪比的表达式［25－26］：

式中p0为发射线圈输入的功率；R0为线圈单位面积上的电阻；W 为线圈的宽度。从式中可以看出，影响系统效率最为关键的因素是所施加偏置磁场的磁感应强度，它与洛仑兹力和磁致伸缩力成正比，提高外磁场强度，可增大质点振动速度和声强，提高接收电压幅值，即提高了信噪比和检测灵敏度。

EMAT线圈设计的原则是要提高线圈的转换效率，产生在金属表面传播的超声波。线圈的设计可采用直导线、折回线圈、螺旋线圈、“回”形线圈和“吕”形线圈。文献［27］中，通过在EMAT的发射器线圈后设置一个铁磁性材料，增加涡流值。EMAT磁铁设计的原则是要能产生高强度的磁场，为了在介质表面和近表面形成强偏转磁场，近几年来，具有强磁场永磁体的采用，大大提高了EMAT的效率。相对较低换能效率的EMAT来说，采用高功率的激励，不仅能提高信噪比，而且在超声导波模式的选择上有更重要的作用，电子器件的迅速发展使制造大功率的发射电路成为可能。冷涛等［28］研制的多功能电磁声试验平台，为了抑制共模噪声、提高信噪比，采用了前置放大器和主放大器两项放大的形式，在电磁声接收线圈的输出端设置了前置差分放大器，把信号初步放大后再用双绞线送至主放大器，进一步放大。

EMAT工作过程的理论研究主要集中在EMAT的建模仿真及对电磁超声波发射和接收物理过程的认知上。准确的模型有利于对EMAT工作过程的分析，并指导系统优化。有限元分析基于变分原理，从全新的角度求解一类偏微分方程，不仅求解性能好，而且求解精度也较高，是一种应用于EMAT模型行之有效的数值分析方法［26］。Dutton［29］利用三维有限元建模和仿真分析，在不增设前置放大的前提下，通过对EMAT的优化设计，使其磁感应强度从0.29T增加至0.52T，当提离距离＜0.5mm时，信噪比由8.3增加为16.5。Koorosh Mirkhani利用三维有限元模型第一次完整详细地给出了静态磁通的计算［30］，从而为磁场的合理配置提供了设计依据。

3 超声导波聚焦

由于导波传播过程中存在的频散效应，在任意频率下至少存在两种模态，并且某些模态在高频时散射严重，使得信号的识别比较困难，特别是多缺陷板的导波检测信号识别更是一个难题。为了补偿导波的频散，实现导波的聚焦，Rose的研究团队提出了导波聚焦理论，Hayashi［31］利用半分析有限元方法对其进行了数值模拟，采用梳状传感器阵列利用相位补偿方法对管道进行了导波聚焦试验，获得了较好的效果。国内外有很多单位和研究者从事聚焦理论的研究，其中大多数集中在基于压电效应的超声导波技术。1989年Fink等人在超声方面获得了时间反转技术聚焦能力的结论后，时间反转技术成为科学家们理论和试验研究的一大热点［32］。所谓时间反转法，即将不同传感器接收到的声源发射信号，按其时间历程的反向过程重新向介质发射回去，使得信号先到后发、后到先发，同时回到波源处，该处理是有效地实现声源信号重构的一种方法。当波源在结构中激发出一定形式的波形后，信号被传感器捕获得到监测信号，将这些监测信号时间反转，并在各自的传感器上同时加载，则这些信号同时同相到达波源处，形成聚焦。1998年中国科学院研究所的魏炜、刘晨、汪承灏［33］进行了利用时间反转法使得声束在固体中自适应聚焦的研究，对采用实际上能实现的、有限个数的、有限宽度的条状元构成换能器阵列，作时间反转镜进行理论分析和试验。理论分析得出了简明的解析结果，试验结果证明，时间反转法可以实现信号的聚焦增益，提高声波信号在固体介质中的信噪比。滕飞［34］用时间反转兰姆波进行了检测板材缺陷的试验，根据铝板中可能存在的缺陷形式，人工预制模拟缺陷，利用时间反转聚焦信号对几种样板检测，通过对信号能量分布的分析，实现对缺陷的存在和位置的判定，解决了兰姆波在固体介质中传播出现的能量分散问题。陈妍［35］用同样的方法在有裂纹铝板上分别做了单通道试验和多通道试验，通过对比有裂纹铝板与无裂纹铝板上的聚焦信号并分析聚焦信号的主副瓣比值变化，研究裂纹的定位方法。

超声相控阵技术最早应用在医疗领域，后来逐渐被应用到噪声源识别、相控阵雷达等方面，近来的研究应用表明，超声相控阵成像技术对工业构件内部具有极好的实时成像能力，可准确检测出物体中的缺陷，并确定其位置、大小和性质。常规的超声波检测通常采用一个压电晶片来产生超声波，只能产生一个固定的波速，其波形是预先设计的且不能更改。相控阵探头由多个小的压电晶片按照一定序列组成，使用时相控阵仪器按照预定的时序对探头中的一组或者全部晶片分别进行激活，每个激活晶片发射的超声波速相互干涉形成新的波速，波速的形状、偏转角等可以通过调整激发晶片的数量、时间来控制。相控阵对晶片进行激活时所遵循的规则，即以何种方式的延时进行触发称为聚焦法则（focal law），采用相控阵的方法，可以根据需要设置多组聚焦法则，产生多组不同角度的波速同时进行扫查。常用的相控阵阵列有线阵、矩阵、环阵等，其中一维线型阵列容易编程控制，并且费用较低。一维线阵如图4所示［36］，其中阵元数量为N，阵元中心间距为d，阵元宽度为a，θ为辐射角，r及ri分别为场点p（r，θ）到阵列中第1个和第i个阵元的距离。利用相控阵技术对材料及构件进行无损检测时，为了获得最好的检测效果，需在某一特定方向（即偏转方向）上声压值最大，而在其他方向的声压值最小。阵列相控阵换能器参数优化的目的在于使波速具有最小的方向锐角，消除栅瓣，抑制旁瓣幅值，优化设计参数包括N，d，a及λ（即中心频率f）。

图4 线形相控阵列的辐射声场

电磁声传感器相控阵聚焦技术可以借鉴压电式超声导波相控阵聚焦方法，但传感器基于的物理特性不同，存在本质的差别，不能照搬。Maclauchlan等人用有限元数值模拟方法来优化设计磁铁的配置，并采用相控阵的方法来实现聚焦［25］，该EMAT已达到32通道、最大100kW的驱动功率，可调整声束20000次／s。Sawaragi在原有的4单元相控阵EMAT的基础上，研制了具有8个发射器和8个接收器的8单元相控阵EMAT［37］，并通过对管道上的人为缺陷进行检测，证明了其检测性能的提高。

4 板状结构缺陷超声波成像技术

EMAT对噪声十分敏感，仅从结构上优化往往很难达到满意效果，对接收信号的处理也是EMAT系统设计中必不可少的环节［38］。超声波成像技术也被应用于EMAT接收信号的处理中。Hutchins等人采用合成孔径聚焦技术（SAFT）对检测信号进行处理并成像，同时对常用SAFT法作了修正，更适于EMAT信号的处理［39］。1993年 Hutchins对铝板中的孔类缺陷［40］进行了层析成像研究。试验表明，采用脉冲激光源和电磁声换能器接收产生的兰姆波信号可用于薄板材料的结构变化层析成像。斯坦福大学的Chun H和Fu－Kuo Chang等人［41］研究了综合时间反转成像方法和合成孔径技术，实现了对损伤的监测。

当板材中有缺陷存在时，Lamb波传播到缺陷位置时有一部分发生了反射和散射［42］，大部分还是绕过了缺陷继续向前传播，当遇到大的反射边界时又反射回来被EMAT接收装置接收。由于缺陷对Lamb波传播的“阻隔”作用，使得最终接收到的Lamb波信号能量比没有缺陷时变小了，反映在时域波形上就是反射波包的幅值变小，此外由于缺陷对Lamb波的反射作用，使得有一部分Lamb波反射回去被接收装置接收，这时就会有一个小的波包出现，较原来没有缺陷的情况而言，波形会发生较大畸变。通过波形对比观察，如果边界反射波包幅值有衰减，就可以判断接收探头与反射边界之间存在缺陷。根据边界反射波包的衰减程度，可以判断缺陷的大小。同时还可以根据缺陷反射波包的幅值大小来判断缺陷的大小，通过它在时间轴上出现的时间来计算出具体的缺陷位置。然而，由于系统的其他自然变化（如温度等）引起信号的各种改变，这种与基准信号模式比较的方法很容易导致损伤误报。为了减小对基准数据的依赖性，根据时间反转方法的思想，将聚焦时刻结构中各点的波动幅值显示出来，能量最大的地方为聚焦处，即损伤处，进而实现对损伤的成像监测。在计算机中处理波形数据，成像算法是核心，对于一个含有N个超声探头的EMAT阵列采用相控阵扫查，首先轮流选择一个探头作为激励器，其它探头作为传感器，获得各方向的损伤散射信号，再利用这些信号对损伤进行合成成像，采用改进的成像算法：

式中Amn为权值系数，为简单起见，在后面的成像中均取相同的放大系数，取值为1010；fmn为第m个探头激励，第n个探头接收到的损伤散射信号绝对值包络；Rijm和Rijn分别为该像素点到激励探头m和接收探头n的距离；t0为输入激励信号的时刻；v为Lamb波传播速度。式（4）各符号可以用图5说明［43］。

图5 损伤成像时间反转法原理

5 有待解决的问题

电磁超声传感器在铁磁材料中激励兰姆波的换能结构和机理模型，以及磁致伸缩机制在弱磁化状态下影响换能效率的主导机制是整个研究的基础和难点，理论上应尽量减少各种能量的泄露，提高电、磁、力、声波等能量的相互转换效率，因此，需先对模型进行数值分析，换能器中从电能转换为声波能的每一功能部件都要进行优化设计和计算，并用试验结果进行验证。

电磁超声相控阵的优化设计，虽然可以借鉴一些现有的压电式传感器阵列布置，但电磁超声传感器与压电式传感器有本质的不同，因此还需对电磁超声导波的聚焦特征、激励信号的时间延迟和幅值控制对聚焦的影响、激励点与目标间的距离变化条件下聚焦的潜力等进行大量的理论和试验研究。

电磁超声导波平板无损检测定量化的研究是建立在大量试验的基础上，寻找并提取可以体现定量化的特征信息参数，通过反演重构方法，建立缺陷与检测／接收信号间的关系模型。由于导波具有多模式及频散特性，给检测信号的辨识增加了难度，需要在时域、频域与空间域选取多种信号处理技术和算法，建立导波反射信号与缺陷类型的对应关系。

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