航空不锈钢薄板电磁超声SH导波检测定量分析方法

吴锐,石文泽,2,卢超,3,*,李秋锋,陈果

1.南昌航空大学 无损检测教育部重点实验室,南昌 330063 2.中国科学院声学研究所 声场声信息国家重点实验室,北京 100190 3.赣南师范大学 江西省数值模拟与仿真技术重点实验室,赣州 341000

不锈钢以其良好的耐腐蚀性和耐热性能被广泛运用于现代航空工业行业,如大型液体燃料运载火箭、高强度低温压力容器和低压流体容器,其组成材料之一的航空不锈钢薄板在使用前需对其进行验收,超声检测以其适用性强、灵敏度高、穿透力好、对缺陷形貌评价准确等优点,被广泛用于板材缺陷的快速检测。

相对于传统超声纵波探头低效率地逐点检测,超声导波检测技术兼具非接触、长距离、大范围检测等优点,是进行板状构件无损检测的有效手段。其中兰姆波是应用最广泛的超声导波之一,焦敬品等对板结构的裂纹缺陷进行了兰姆波检测,可实现对多个裂纹方向的识别。超声兰姆波检测对待检试件表面质量要求高,回波信号幅值受耦合效果影响较大,对航空不锈钢薄板而言,其表面含有油污、锈蚀、水珠等杂质,会导致兰姆波快速衰减,严重影响兰姆波的检测距离和检测灵敏度。张志钢等研究了在铁磁性材料中激励兰姆波的电磁超声换能器(Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT)结构和机制模型。与兰姆波相比,水平剪切(Shear Horizontal,SH)波的质点振动与金属试样表面平行,只有面内位移,受在役航空不锈钢薄板表面杂质的影响较小,适用于板类薄壁构件的快速检测。

虽然SH导波具有频散和多模态特性,但是基础模态SH不会发生频散和模态转换现象。李法新等研制出的面剪切压电换能器可激发和接收SH波,但面剪切模式无法激励出单模态的SH波。而电磁超声检测技术具有非接触、无需耦合剂、激发超声波类型灵活多变、探头不易磨损等优点。为有效检出缺陷,Li等利用频散计算软件研究了导波在平板中的频散和多模态特性,为EMAT参数、导波工作点和激励频率的选择提供了依据。此外,电磁超声SH导波对裂纹非常敏感,可对缺陷进行有效检测。杨理践等针对铝板中难以检测的斜向裂纹设计了一种斜向曲折线圈EMAT,实现了铝板中的全方位裂纹缺陷检测。Kim等研制了一种全向SH波贴片换能器,可对金属板进行结构检测。

然而电磁超声导波检测技术存在换能效率低、受环境噪声影响较大等问题,导致回波信号信噪比较低。为解决这个问题,研究者们对EMAT进行了探头的优化设计。孙斐然等分析了偏置磁场、激励线圈、提离距离等参数对换能效率的影响,对EMAT进行了优化设计；时亚等通过建立多根分裂曲折线圈接收EMAT的有限元模型,基于正交试验表分析了曲折线圈导线宽度、高度和根数对EMAT接收效率的影响,实验结果表明多根分裂曲折线圈EMAT的接收效率较单匝曲折线圈EMAT提高了50.8%；Pei等提出了一种新型的曲折线圈电磁超声换能器(MLC EMAT)设计方法,把检测效率提高了1倍以上。Sun等提出了一种新的斜点聚焦SH波EMAT结构,该结构可实现对焦点区域缺陷的高灵敏度检测。信号处理方面,石文泽等采用巴克码脉冲压缩技术使超声回波的信噪比提高了8.0 dB,可在实际检测中增大EMAT提离以满足在线快速检测的需求。刘素贞等采用自适应滤波对电磁超声信号进行了降噪处理,实现了对电磁超声信号的实时降噪和特征提取。

电磁超声导波应用范围广,大部分学者对电磁超声导波技术的研究主要侧重于损伤检测方法、传播特性和EMAT优化设计。在缺陷SH导波检测定量表征方面,Ohtsuka等针对缺陷尺寸研究了SH导波检测的多路径方法。Li和Cho利用SH导波对平板中缺陷的量化和成像进行了研究。Nazeer等研究了SH导波与弯曲板缺陷的作用规律,为使用超声导波检测和表征弯曲板处的缺陷提供了参考。为此本文首先通过时域仿真绘制周期性永磁体电磁超声换能器(Periodic-Permanent-Magnet Electromagnetic Acoustic Transducer,PPM EMAT)对应的裂纹距离-波幅曲线(Distance Amplitude Curve,DAC),其次以频域仿真分析不同设计参数的PPM EMAT辐射声场特性体现永磁体参数对SH导波DAC的影响,然后找到一条平稳的SH导波DAC达到航空不锈钢薄板的远距离检测灵敏度要求,最后进行实验验证。

1 原理和方法

1.1 SH导波EMAT的换能机制

PPM EMAT主要由周期性永磁体、跑道线圈和被检试件3部分组成。在金属薄板检测中,PPM EMAT可有效激发SH导波,基于洛伦兹力换能机制的SH波EMAT激励原理如图1所示,在跑道线圈上通以频率为的高频交变电流,试件表面感应出与之方向相反的涡流。在轴方向上的周期阵列静磁场的作用下,试样表面质点受到轴方向上洛伦兹力作用,使试件内部的质点产生周期性振动,振动频率为,该振动传播出去即产生SH导波。多匝紧密排列的跑道线圈可产生较强的感应涡流,在试件内部激励出SH波,如图2所示。PPM EMAT激发的SH波波长由永磁体的宽度或相邻永磁体中心间距决定。

图1 SH导波EMAT的换能机制Fig.1 Energy transfer mechanism of SH guided wave EMAT

图2 SH导波EMAT的结构Fig.2 Structure of SH guided wave EMAT

1.2 不锈钢薄板的SH导波频散曲线

不锈钢薄板的弹性模量为206 GPa,泊松比为0.3,密度为7 850 kg/m,通过Disperse软件绘制了厚度为4 mm的不锈钢薄板频散曲线,如图3所示。可知SH的截止频率为0.42 MHz,当激励频率高于0.42 MHz时,不锈钢薄板中将存在多个模态。PPM EMAT的激励频率越低,SH导波的波长越大,则回波信号的分辨率越低。

图3 4 mm厚不锈钢薄板SH导波频散曲线Fig.3 Dispersion curves of SH guided waves in 4 mm thick stainless steel plate

根据图3(a)的SH导波频散曲线,以波长为斜率画虚线,与SH的交点即为SH导波的激励点,波长为永磁体宽度的两倍。当永磁体宽度=7 mm时可得出波长=14 mm,其对应的激励频率为0.235 MHz。同理可得宽度为5、8、10 mm的永磁体对应激励频率分别为0.330、0.200、0.160 MHz。

2 不锈钢薄板裂纹缺陷的检测方法

2.1 SH0导波与裂纹的相互作用

图4为SH导波在不锈钢薄板中传播的三维有限元模型。钢板试样的长度、宽度和高度分别为250、80、4 mm,永磁体的长度、宽度和对数分别为20 mm、7 mm和6对,裂纹为不锈钢薄板上表面沿厚度方向延伸的非贯穿缺陷,裂纹长为10 mm,宽度和深度均为1 mm。网格的划分采用自由四面体单元,为确保导波在一个波长内有足够多的网格单元,划分网格的单元尺寸设置为/10。SH导波的产生是因受到了沿轴方向的水平剪切力,因此在钢板表面定义如图4 所示的6对表面加载区域以模拟EMAT,在其轴的正方向和负方向施加加载力,其大小为,加载力的方程为一个正弦脉冲串,低反射边界添加在不锈钢薄板的3个侧面上。

图4 EMAT的时域仿真模型及其参数Fig.4 Time domain simulation model of EMAT and its parameters

当计算时间步长不大于1/(100)时有限元计算结果基本收敛,可保证计算结果的准确性。激励频率为0.235 MHz时不锈钢薄板上的超声位移如图5所示,可知SH导波在不锈钢薄板的传播过程中波结构没有发生改变。SH导波在不同时刻的传播云图如图6所示。

图5 钢板轴向截面区域中的超声波位移y分量Fig.5 y-component of ultrasonic displacement in axial section of steel plate

图6 不锈钢薄板中SH0导波的传播云图Fig.6 Cloud image of SH0 guided wave propagation in stainless steel sheet

2.2 不锈钢薄板SH0导波DAC可行性分析

DAC是描述某一确定反射体的回波高度随距离变化的关系曲线。对于大小相同的缺陷,当声程不同时,对应的回波幅度也会不同。用横坐标表示声程,纵坐标表示回波幅度,将不同声程对应不同波幅的最高点连接成一条曲线,这条线便被称为DAC。

兰姆波具有频散和多模态特性,在传播过程中遇到反射体后会产生多个模态,难以绘制其DAC。由图6可知SH导波在不锈钢薄板传播过程中没有发生频散和模态转换现象,且在不锈钢薄板厚度上的切向位移近似恒定,可对缺陷进行检测,通过绘制DAC可方便地分析不同缺陷变化对缺陷回波的影响,以实现对缺陷进行定量表征分析。

2.3 不同裂纹对应的SH导波DAC

为绘制不同长度裂纹的DAC,将图4所示的有限元模型设置好不同的裂纹,裂纹为非贯穿型,长度分别为10、15、20 mm,宽度和深度均为1 mm。永磁体长度、宽度和对数分别为20 mm、8 mm 和6对。将其与EMAT的距离从10 mm增加到150 mm,每隔10 mm采集一组数据,每个裂纹采集15个点,总计45个点,记录下每个点的缺陷波幅值后,分别除以这些点中最大的缺陷波幅值进行归一化,得到的DAC如图7所示。可知当声程的值为20 mm时,20 mm长裂纹的回波幅值比15 mm长裂纹的回波幅值高2.91 dB,15 mm 长裂纹的回波幅值比10 mm长裂纹的回波幅值高1.76 dB。

图7 不同裂纹对应的SH导波DACFig.7 DACs of SH guided wave corresponding to different cracks

缺陷波幅值随裂纹长度的增大而增大,裂纹越长,超声波的反射面越大,反射回波的能量也就越强；当裂纹长度超过EMAT换能区域后,缺陷波幅值将趋于稳定。

2.4 EMAT设计参数对SH导波DAC的影响

为分析不同永磁体宽度对裂纹检出效果的影响,对长度为10、15、20 mm的非贯穿型裂纹进行仿真,其中裂纹的宽度和深度均为1 mm,分别设置了宽度为5、7、8、10 mm的永磁体,其中永磁体长度为20 mm,对数为6。将其与裂纹的距离从10 mm增加到150 mm,每隔10 mm 采集一组A扫信号波形,归一化后得到的SH导波DAC如图8 所示。可知7 mm宽永磁体对应的缺陷回波幅值大于8 mm宽永磁体对应的缺陷回波幅值,永磁体宽度对缺陷回波幅值的影响并不是呈线性关系的；SH导波DAC整体呈先增大后减小的趋势,10 mm宽度永磁体对应的DAC缺陷波幅值下降最少。

图8 不同永磁体宽度对应的SH导波DACFig.8 DACs of SH guided waves corresponding to different magnet widths

为分析不同永磁体长度对裂纹检出效果的影响,对长度为10、15、20 mm的非贯穿型裂纹进行仿真,裂纹的宽度和深度均为1 mm,分别设置长度为15、20、25、30 mm的永磁体,其中永磁体的宽度为7 mm,对数为6。将其与裂纹的距离从10 mm 增加到150 mm,每隔10 mm采集一组A扫信号波形,归一化后得到如图9所示的结果,可知随永磁体长度增大,DAC的极大值逐渐右移,缺陷波幅值下降的幅度变缓。

为分析不同永磁体对数对裂纹检出效果的影响,对长度为10、15、20 mm的非贯穿型裂纹进行仿真,裂纹的宽度和深度均为1 mm,分别设置了对数为2、4、6、8的永磁体,其中永磁体的长度为20 mm,宽度为7 mm。将其与裂纹的距离从10 mm 增加到150 mm,每隔10 mm采集一组A扫信号波形,归一化后得到如图10所示的结果,可知随永磁体对数增加,缺陷波幅值增大。

3 考虑SH导波辐射声场的EMAT优化设计

由第2节可知裂纹DAC不仅与裂纹尺寸相关,而且与EMAT的设计参数(永磁体宽度、长度和对数)相关。为了进一步阐述EMAT设计参数对裂纹DAC的影响,需分析永磁体宽度(5～10 mm)、长度(15～30 mm)和对数(2～8对)共3个参数对EMAT辐射声场和轴线声压分布的影响。

3.1 EMAT辐射声场分析

为研究EMAT参数对SH导波辐射声场的影响,建立了如图11所示的SH导波在不锈钢薄板中传播的三维频域有限元模型。与时域模型相比频域模型无须设置时间步长和缺陷域,加载力大小为1,低反射边界为不锈钢薄板的4个侧面。

在图11所示的模型中设置不同的永磁体宽度(5、7、8、10 mm),激励频率分别为0.330、0.235、0.200、0.160 MHz,永磁体长度为20 mm,对数为6。经计算得出永磁体宽度对SH导波声场的影响如图12所示,线上数字为归一化声压幅值,可知PPM EMAT激发出的SH导波沿一个扩散角向外传播。随距离增大,SH导波的声压也增大,当距离大于一定值时声束开始扩散,声压开始减小。

图11 EMAT的频域仿真模型及其参数Fig.11 Frequency domain simulation model of EMAT and its parameters

在图11所示的模型中设置不同的永磁体长度(15、20、25、30 mm),永磁体对数为6对,永磁体宽度为10 mm,激励频率为0.160 MHz。经计算得出永磁体长度对SH导波声场的影响如图13 所示,可知随永磁体长度增加,SH导波EMAT的方向性和指向性都大大增强；声束扩散角随永磁体长度的增加而减小,在远距离的声场强度随永磁体长度的增大而增大。

图13 0.160 MHz时不同永磁体长度的PPM EMAT对应的SH0导波辐射声场Fig.13 SH0 guided wave radiation sound fields corresponding to PPM EMAT of different magnet lengths at 0.160 MHz

在图11所示的模型中设置不同的永磁体对数(2、4、6、8对),永磁体长度为20 mm,永磁体宽度为7 mm,激励频率为0.235 MHz。经计算得出永磁体对数对SH导波辐射声场的影响如图14 所示,可知随着永磁体对数增加,SH导波EMAT的方向性和指向性都有增强,但是没有永磁体长度的影响明显。

3.2 EMAT轴线声压分布分析

永磁体的结构参数会对EMAT的声场产生影响,通过分析不同永磁体宽度、长度、对数对EMAT轴线(如图11所示,轴线代表钢板表面上的中心线)声压分布的影响得到EMAT的最佳参数组合。

图15显示了永磁体宽度对轴线声压分布的影响。永磁体宽度改变时,EMAT的激励频率也会随之改变。由1.2节可知永磁体宽度越大,激励频率越低。由于永磁体宽度的改变会影响激励频率的大小,因此选择一个合理的永磁体宽度就是找到一个最佳的激励频率。由图15可知宽度为5 mm和10 mm的永磁体EMAT对应的轴线声压先增大、后减小、再增大,声压分布不均匀；8 mm宽永磁体大多数情况下小于7 mm宽永磁体对应的轴线声压；7 mm宽永磁体对应的EMAT轴线声压先增大后减小,最后趋于均匀稳定,有利于对缺陷进行定量检测。

图15 不同永磁体宽度PPM EMAT对应的轴线声压分布Fig.15 Axial sound pressure distributions corresponding to PPM EMAT of different magnet widths

图16显示了永磁体长度对轴线声压分布的影响。可知永磁体长度对轴线声压分布有显著影响,长度为15、20、25、30 mm的永磁体EMAT对应的轴线声压分别在=65,78,92,140 mm处取得极大值后再逐渐减小。长度为30 mm的永磁体对应轴线声压极大值最大,长度为15、20 mm 的永磁体对应轴线声压又分别在=173,201 mm处取得极小值后逐渐上升,相比之下长度为25 mm的永磁体EMAT在远距离的声压能量越趋于稳定和均匀,利于对远距离缺陷的检测。

图16 不同永磁体长度PPM EMAT对应的轴线声压分布Fig.16 Axial sound pressure distributions corresponding to PPM EMAT of different magnet lengths

图17显示了永磁体对数对轴线声压分布的影响。可知EMAT对应的轴线声压大致呈先增大后减小的趋势,永磁体对数对轴线声压影响较大,2、4、6、8对永磁体EMAT对应的轴线声压分别在=53,62,78,93 mm处取得极大值后再逐渐减小。随永磁体对数增加,轴线声压分布随距离增加而减小的幅度更小,更趋于稳定。8对永磁体组成的EMAT体积过大,在近距离处的声压起伏不定；2对永磁体对应的轴线声压在>150 mm后变化幅度更明显；4对永磁体与6对永磁体对应的轴线声压走势大体一致,但4对永磁体的声压能量相比之下略小于6对永磁体的。因此,6对永磁体EMAT利于较长距离缺陷检测。

图17 不同永磁体对数PPM EMAT对应的轴线声压 分布Fig.17 Axial sound pressure distributions corresponding to PPM EMAT of different magnet pairs

3.3 PPM EMAT的声场实验验证

EMAT检测系统主要包括笔记本电脑(装有LabVIEW)、信号发生器(AFG-2022B)、功率放大器(GA-2500A)、阻抗匹配盒、数据采集卡、前置放大器、SH导波EMAT激励探头以及一个5 MHz 的∅4 mm压电横波接收探头(Olympus V157)。

EMAT声场实验系统检测原理如图18所示,其中为压电式横波接收探头的扫查轨迹,为SH导波EMAT发射探头的中心轴线,为压电式横波接收探头的扫查角度。

图18 电磁超声导波检测实验系统Fig.18 Experimental system for guided wave detection of electromagnetic ultrasound

辐射声场测点布置如图19所示,压电式横波接收探头以EMAT发射探头中心点为圆心、在半径为150 mm的圆弧线上进行扫查,扫查角度=-30°～30°,扫查步长为3°,扫查点总共21个。当=0°,15°,30°时采用压电横波探头采集到的A扫波形如图20所示。

图19 辐射声场测试点位分布Fig.19 Distribution of radiated sound field test points

图20 压电横波探头采集的A扫波形Fig.20 A-sweep waveforms collected by piezoelectric shear wave probe

取不同角度下的压电横波探头采集到的A扫信号,将不同宽度永磁体EMAT对应A扫信号中直达波的最大值作为被除数进行归一化,结果如图21(a)所示,同理可得图21(b)和图21(c)。可知永磁体长度、永磁体对数对EMAT辐射声场的影响都呈线性变化,当永磁体长度增大时,其对应的EMAT辐射声场指向性增强；当永磁体对数增加时,其对应的EMAT辐射声场能量大大增强、扩散角减小。永磁体宽度对辐射声场的影响呈非线性变化,7 mm宽永磁体对应的EMAT比8 mm宽永磁体对应的EMAT声场能量大,且对应的辐射声场扩散角也更大,但在-15°～15°仍保持较高的声场强度。

图21 EMAT对应的SH0导波辐射声场Fig.21 EMAT corresponding to the SH0 guided wave radiation sound field

4 实验应用

4.1 不锈钢薄板裂纹缺陷检测

不锈钢薄板裂纹电磁超声SH导波检测示意图如图22所示,不锈钢薄板试件的长度为1 000 mm,宽度为600 mm,厚度为4 mm；人工直裂纹的长度为10 mm,宽度为1 mm,垂直深度为0.5 mm。SH导波的激励探头EMAT(T)和接收探头EMAT(R)采用的都是相同的结构,两个传感器位于直裂纹的同一侧,相距110 mm。

图22 含有裂纹的不锈钢薄板示意图Fig.22 Schematic diagram of stainless steel sheet with crack

当SH导波激励探头距离人工直裂纹缺陷的距离过小时缺陷波会与始波重合,因此先将激励探头放在距离裂纹缺陷50 mm处的位置,保持激励探头与接收探头的距离110 mm不变,记录当前最大信号幅值,然后同时将两个探头远离人工直裂纹缺陷,以激励探头到人工直裂纹缺陷之间的距离为自变量,便可得出EMAT检测的缺陷回波幅值随探头位置变化的关系曲线(DAC),6对5 mm宽、20 mm长永磁体组成的PPM EMAT采集到的A扫波形如图23所示,可知缺陷波的幅值随的增大而减小。

4.2 不同EMAT参数的薄板裂纹定量DAC实验验证

永磁体宽度对DAC的影响如图24所示,可知不同宽度永磁体对应的裂纹DAC整体上都随增加呈下降趋势变化,当从50 mm增加到140 mm时8 mm宽永磁体对应的DAC缺陷波幅值下降为5.3 dB,7 mm宽永磁体对应的DAC缺陷波幅值下降为4.8 dB,7 mm宽永磁体对应的DAC缺陷波幅值下降更小,相较于10 mm宽永磁体,7 mm宽永磁体组成的EMAT尺寸更小,更适合应用于缺陷检测中。

图24 不同永磁体宽度EMAT对应的裂纹DACFig.24 Crack DACs corresponding to EMAT of different magnet widths

永磁体长度对DAC的影响如图25所示,由图25可知,当从50 mm增加到140 mm时,15 mm长永磁体对应的DAC缺陷波幅值下降6.8 dB,30 mm长永磁体对应的DAC缺陷波幅值下降仅为3.1 dB。永磁体长度越大,对应的DAC缺陷波幅值下降越少。

图25 不同永磁体长度EMAT对应的裂纹DACFig.25 Crack DACs corresponding to EMAT of different magnet lengths

与仿真结果相比,30 mm长度永磁体对应的DAC随增加一直呈下降趋势,与图9所示的30 mm长度永磁体对应先增大后减小的DAC趋势不同。原因在于SH导波在传播过程中受介质衰减和声束扩散等因素的影响,因此当声程大于一定值后,缺陷回波幅值将表现为下降趋势。在有限元模型中只考虑声束扩散的影响,而在实际检测实验中缺陷回波幅值将同时受声束扩散和介质衰减的影响。另外在实验中SH导波EMAT采用的是一发一收模型,而在有限元模型中采用的是自发自收模式。在实验中SH导波传播的距离比仿真模型多110 mm。

永磁体对数对DAC的影响如图26所示,可知当从50 mm增加到140 mm时,2对永磁体对应的DAC缺陷波幅值下降6.6 dB,8对永磁体对应的DAC缺陷波幅值下降仅为4.7 dB。永磁体对数越多,对应的DAC缺陷波幅值下降越少。

图26 不同永磁体对数EMAT对应的裂纹DACFig.26 Crack DACs corresponding to EMAT of different magnets pairs

在SH导波检测中,平稳的DAC能保证对不同声程处的缺陷均具较高的检测灵敏度,进而根据相应的DAC对EMAT系统接收到SH导波A扫信号进行缺陷尺寸判定。根据仿真和实验结果并考虑EMAT体积不宜过大,6对25 mm长、7 mm 宽永磁体组成的EMAT具有较为均匀的辐射声场特性,对应的SH导波DAC也比较平稳。

5 结 论

通过建立SH导波在不锈钢薄板中传播的有限元模型分析了时域模型下SH导波与裂纹的相互作用,研究了不同永磁体参数对SH导波DAC的影响,计算了频域模型下EMAT的辐射声场,对EMAT的永磁体参数进行优化设计,最后进行实验验证。得到的主要结论如下：

1) SH导波在不锈钢薄板中与裂纹作用后不会发生复杂的相互作用,产生频散和多模态现象,非常适合板材裂纹缺陷的检测。

2) 对EMAT的辐射声场而言,永磁体宽度对其的影响呈非线性变化,而永磁体长度、对数对EMAT辐射声场的影响呈线性关系。永磁体长度越大,对应的声场强度越高、指向性和方向性都有所增强；永磁体对数越多,其对应的EMAT辐射声场能量越强、扩散角越小。

3) 对于缺陷检测来说,特别是远距离检测,永磁体长度越长,对应的缺陷波幅值随声程变化的趋势越小,能明显地提高EMAT对远距离缺陷的检测能力。当EMAT的永磁体组合为6对、25 mm长、7 mm宽时具有良好的辐射声场强度和平稳的DAC,可满足对远距离缺陷的检测要求。