Barker码脉冲压缩技术在铝合金电磁超声表面波检测的应用研究*

程 豆，石文泽，卢 超，2*，陈 果，陈 尧，曾光登

(1.南昌航空大学无损检测教育部重点实验室，江西 南昌 330063；2.赣南师范大学江西省数值模拟与仿真技术重点实验室，江西 赣州 341000；3.西安航天复合材料研究所，陕西 西安 100190)

高强度铝合金在航空宇航、船舶、军工武器装备、轨道交通等领域发挥着不可替代的作用，为了提高铝合金铸锻件质量等级和降低废品率，有必要在高温铸锻造过程中进行边裂和角裂的在线、快速无损检测，并据此调整加工工艺参数，实现高温状态下的缺陷抑制和消除，这具有重要的意义[1]。

用于铝合金铸锻件质量检测的常见无损检测技术有超声检测[1]、涡流检测[2]和光学CCD[3]等。超声检测中的横波和纵波主要沿着试样厚度方向进行传播，可以用于试样内部缺陷检测[4]，由于仪器电路的限制，体波检测通常存在3 mm～5 mm的检测盲区，无法实现对工件表面缺陷的检测。表面波具有单点激励、长距离检测的优势，可在距工件表面两倍波长深度范围内传播且传播距离长，常用于金属表面裂纹检测[5-6]。由于涡流检测和光学CCD具有点对点检测、效率低、仪器成本高或难以实现现场在线快速检测等缺点，因此其在金属铸锻件的在线质量检测中优势不及表面波。传统的压电超声表面波需要配合特定角度的楔块使用，对工件表面粗糙度要求较高，高温环境下存在耦合剂涂抹难、易挥发、持续时间短等缺点，超声波幅值受接触压力和耦合状态影响较大[7]，很难用于表面粗糙工件结构完整性的在线快速检测。电磁超声(Electromagnetic Acoustic Transducer，EMAT)检测技术具有非接触式检测、无需耦合剂、对表面粗糙度要求不高等优点[5]，被广泛用于铸锻件表面缺陷检测，尤其是高温铝合金表面缺陷检测。

在高温铸锻造过程中，铸锻件的超强热辐射、高衰减和铸锻现场的强电磁干扰，使得超声回波在高温、大提离的情况下无法获得较好的信噪比。虽然增加同步平均次数可以降低噪声，但是要求EMAT与被测表面有较长时间的接触，这样不仅会导致EMAT功能性损坏，而且不易实现实时快速检测。因此，如何优化EMAT设计参数和引入先进信号处理方法来提高电磁超声回波信噪比成为当下研究的热点。

目前，国内外学者已针对EMAT的优化设计开展了广泛的研究。Mirkhani K等[8]建立了有限元模型对跑道线圈EMAT进行优化，并研究了磁线宽度比对超声信号幅值的影响，结果表明，当永磁体宽度比线圈宽度大20%时，EMAT激励的超声波幅值可提高10%。Kang L等[9]建立了三维表面波EMAT有限元模型，并采用正交试验方法研究不同EMAT设计参数对表面波的影响，使优化后EMAT的信号幅值提高了25.2%。WU Y等[10]建立了二维螺旋线圈EMAT有限元模型，采用正交试验法研究EMAT设计参数对其换能效率和提离灵敏度的影响，发现磁线距离对提离灵敏度影响显著，当提离为1 mm时，EMAT换能效率可以提高125%。康磊等[11]分别从EMAT永磁体尺寸和线圈中导线的分布方式两个角度对表面波EMAT进行优化，使其在一发一收和收发一体的模式下，信号幅值分别提高了39%和86.2%。时亚等[12]建立了多根分裂曲折线圈接收EMAT的有限元模型，并采用正交试验表获取表面波EMAT的最佳参数组合，使接收信号幅值提高了50.8%，可以有效检出钢轨踏面裂纹。张金等[13]主要通过对永磁体尺寸、曲折线圈设计参数、线圈层数及层间距、线圈连接方式等因素进行优化，得到了EMAT换能效率最高的参数组合。王淑娟等[14]采用正交试验设计对接收EMAT设计参数进行了优化，使优化后EMAT接收电压幅值为优化前的1.41倍。金亮[15]将多支持向量机的代理模型应用到EMAT优化设计，可将检测信号幅值提升约25%。

然而，由于单纯通过EMAT优化设计对检测回波信噪比的提升效果比较有限，因此有必要将先进的信号处理手段如自适应滤波[16]、解析小波阈值降噪[17]、希尔伯特变换[18]、小波变换[19]、经典模态分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)等[20]应用到超声检测中，进一步提高回波信噪比。为了实现高温、大提离条件下在线、快速检测，部分学者将脉冲压缩技术应用到EMAT中，获得了较好的应用效果。如Ho K S等[21]将脉冲压缩技术与宽频响应特性的EMAT进行结合，可实现金属板厚度的快速在线测量和高分辨率的超声成像。Iizuka Y[22]设计了基于线性调频脉冲压缩的高精度EMAT检测系统，可以实现最大5 mm提离时的高温连铸坯在线检测。冷涛等[23]开发了一套集成线性调频脉冲压缩的EMAT检测系统，可以提高检测回波信噪比和减小检测盲区。魏东等[24]将非线性调频脉冲压缩应用到空气耦合超声C扫成像中，可有效改善空气耦合超声检测效果。周正干等[25]使用窄带空气耦合超声换能器分别就线性调频、非线性调频及相位编码脉冲压缩方法的关键参数对压缩效果的影响开展了实验研究，获得了脉冲压缩参数选取准则。石文泽等[26-27]将Barker码脉冲压缩技术应用于铝合金薄板和钢板的电磁超声SH导波检测中，分析了编码激励参数和EMAT设计参数对检测效果的影响，并验证了Barker码脉冲压缩技术在大提离、快速检测和小缺陷检测的优势。然而，关于如何将Barker码脉冲压缩技术应用于曲折线圈EMAT，并获取最佳检测回波信噪比和分辨率有待于进一步研究，特别是关于Barker码激励参数和EMAT设计参数与脉冲压缩效应之间的影响规律有待进一步明确，以确定最佳参数组合。

本文针对曲折线圈EMAT应用于高温铝合金表面缺陷检测中超声回波信噪比低这一问题，建立了基于Barker码脉冲压缩技术的表面波EMAT检测过程数值模型，采用正交试验表，获取了Barker码激励参数和EMAT设计参数的最佳组合，并通过实验验证了基于Barker码脉冲压缩技术的曲折线圈EMAT在大提离、无同步平均条件下铝合金表面小裂纹检测的优势。

1 曲折线圈EMAT检测过程数值建模

1.1 曲折线圈EMAT配置形式

基于洛伦兹力的曲折线圈EMAT激发表面波的原理如图1所示，EMAT主要包括永磁体、曲折线圈和铝合金试样。当曲折线圈中通以大功率射频电流时，试样表面可以感生出频率相同、方向相反的脉冲电涡流。涡流在静磁场和交变磁场作用下产生变化的洛伦兹力，洛仑兹力带动试样表面质点的高频振动，并沿试样表面以表面波的形式传播。表面波接收过程是其发射过程的逆过程[12]。

图1 曲折线圈EMAT换能机理示意图

1.2 脉冲压缩及旁瓣抑制过程

目前已知最长的Barker码只有13位，它的序列是[1，1，1，1，1-1，-1，1，1，-1，1，-1，1][28]，采用正弦脉冲串作为Barker码信号的码元，得到曲折线圈EMAT的激励电流信号，如图2(a)所示。

图2 Barker码激励波形、脉冲压缩及旁瓣抑制波形

图2(b)为Barker码信号进行脉冲压缩后的信号，脉冲压缩的过程即为求取自相关函数的过程，峰值旁瓣水平(Peak Sidelobe Level，PSL)为-21.9 dB。由图2(b)可知，主旁瓣比明显增大，且旁瓣均匀对称地分布在主瓣的周围。脉冲压缩技术虽然能提高超声信号的信噪比，但仍存在一定幅值的距离旁瓣[26]。

将脉压信号经过一定次数时延后，与相应的加权系数相乘，再将所有的加权输出相加，可达到抑制旁瓣的目的[29]。图2(c)为经过加权抑制旁瓣的结果，时延次数为12次，PSL为-33.3 dB。与图2(b)相比，PSL降低了-11.4 dB。

增加延迟线的节数，可扩展旁瓣抑制范围[26]。图2(d)为经38次时延旁瓣抑制后的结果，PSL为-45 dB，相比图2(c)，PSL降低了-11.7 dB。经过扩展旁瓣抑制范围，可进一步提高超声回波的信噪比。

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1.3 曲折线圈EMAT检测过程有限元模型

图3为曲折线圈EMAT的设计参数示意图，铝合金试样宽度Ws、高度Hs分别为150 mm、20 mm。当相邻两导线之间的距离L为波长λ的一半时，曲折线圈EMAT可以产生表面波[12]。曲折线圈由14匝、每匝4分裂的铜导线组成，导线间距d1为0.3 mm，匝间距d2为1.5 mm。接收线圈与发射线圈的间距ht为0.2 mm。Barker码信号的码元中心频率fs为1 MHz。EMAT设计参数和Barker码信号参数及其取值如表1所示。在永磁体下方设置厚度为0.1 mm的铜背板，用于降低EMAT的提离敏感性，同时可以避免在永磁体中产生超声波，有利于提高超声回波信噪比。

图3 曲折线圈EMAT设计参数示意图

表1 曲折线圈EMAT设计参数和Barker码信号参数及其取值

采用有限元商业软件，建立曲折线圈EMAT检测过程二维有限元模型，如图4所示。永磁体、铝合金试样和曲折线圈均采用映射网格，网格单元大小分别为0.5 mm、0.3 mm和0.01 mm，空气域采用自由三角形网格，网格单元大小为2 mm，最大计算时间步长为0.005 μs。考虑到集肤效应，需要在试样上边界设置边界层网格，用于换能区域的网格细分。有限元模型中的材料电磁学参数如表2所示。

图4 曲折线圈EMAT有限元模型

表2 有限元模型中材料电磁学参数

图5(a)是中心频率fs为1 MHz、码元周期T为3的13位Barker码激励信号。图5(b)为曲折线圈EMAT有限元模型计算得到的开路感生电压信号，图5(c)为开路感生电压经脉冲压缩后的信号，图5(d)为图5(c)经旁瓣抑制后得到的脉压信号。对比图5(c)和图5(d)可知，经过38次时延旁瓣抑制后，旁瓣明显减小。图5(e)为一次端面回波经旁瓣抑制后的上包络线，经过归一化处理，计算得到-6 dB法(即半高度法)的主瓣宽度为6.7 μs。由图5(b)和图5(e)可知，Barker码脉冲压缩技术可使主瓣峰值增大和主瓣宽度减小。

图5 曲折线圈EMAT开路感生电压经脉冲压缩及旁瓣抑制后的结果

2 曲折线圈EMAT优化设计及仿真分析

以曲折线圈EMAT接收的开路感生电压信号经过脉冲压缩后的主瓣峰值和主瓣宽度为研究指标，采用正交试验表L27(37)，得到EMAT设计参数和Barker码信号参数对开路感生电压经过脉冲压缩及旁瓣抑制后的主瓣峰值和主瓣宽度的影响曲线如图6所示。由图6可知，对主瓣峰值而言，主瓣峰值随着码元周期T、永磁体高度Hm、铜背板-接收线圈距离h1增大而增大，随着发射线圈-试样距离h2、导线宽度a、导线高度b的减小而增大，永磁体宽度Wm对主瓣峰值的影响不大。上述参数对主瓣峰值的影响次序为T＞Hm＞h1＞h2＞a＞b＞Wm。对主瓣宽度而言，主瓣宽度随着码元周期T、永磁体宽度Wm增大而增大，随永磁体高度Hm增大而减小，导线宽度a、导线高度b、铜背板-接收线圈距离h1、发射线圈-试样距离h2对主瓣宽度的影响不大。上述参数对主瓣宽度的影响次序为T＞Wm＞Hm＞h2＞h1＞a＞b。

根据图6，分别选出脉冲压缩及旁瓣抑制后的主瓣峰值最高和最低组合，如表3所示。由于正交试验L27(37)组合中均没有主瓣峰值最高/最低参数组合，故选用上述两组参数组合分别进行数值计算。有限元计算结果如表3所示，正交试验27组组合的主瓣峰值均小于最高组合对应的幅值(24.56 mV)，均大于主瓣峰值最低组合对应的幅值(0.09 mV)。

表3 EMAT正交试验主瓣峰值最高/最低参数组合

根据图6，分别选出脉冲压缩及旁瓣抑制后的主瓣宽度最大和最小组合，如表4所示。由于正交试验L27(37)组合中均没有主瓣宽度最大/最小参数组合，故选用上述两组参数组合分别进行数值计算。有限元计算结果如表4所示，正交试验27组组合的主瓣宽度均小于等于最大组合对应的主瓣宽度(9.6 μs)，均大于等于最小组合对应的主瓣宽度(5.7 μs)，且最小组合相对于最大组合，主瓣宽度降低了40.6%。

图6 EMAT设计参数和Barker码信号参数对脉冲压缩后主瓣峰值/主瓣宽度的影响

表4 EMAT正交试验主瓣宽度最大/最小参数组合

3 实验验证

曲折线圈EMAT实验系统框图如图7所示。由信号发生器产生中心频率为0.94 MHz的猝发音脉冲串或13位序列和不同码元周期的Barker信号，经过功率放大器进行电流放大和阻抗匹配后，作用于发射EMAT，用于激发超声波。当接收EMAT接收到超声回波信号后，经接收阻抗匹配网络、无源滤波器、前置放大器等滤波降噪和放大处理后，通过数据采集卡进行模数转换，传送至PC机，在LabVIEW软件界面实现超声回波信号的显示和存储。无源滤波器的带宽范围为0.1 MHz～3.0 MHz，在LabVIEW软件界面上设置高、低截止频率分别为1.2 MHz、0.8 MHz，前置放大器的增益为59 dB。EMAT激励和接收线圈均采用PCB制作的14匝、每匝4分裂的曲折线圈。由于PCB加工工艺的限制，曲折线圈导线宽度a、导线高度b和导线间距d1分别为0.15 mm、0.035 mm和0.3 mm。铝合金试样的尺寸为长400 mm×宽50 mm×高30 mm。

图7 曲折线圈EMAT实验系统组成框图

采用表3和表4给出的四组参数组合，分别制作EMAT探头并进行实验验证。图8(a)为主瓣峰值最高参数组合EMAT对应的原始超声A扫信号。为了防止持续时间较长的电磁串扰对脉冲压缩结果的影响，去除图8(a)信号中的电磁串扰部分，得到的超声回波信号如图8(b)所示。图8(c)为图8(b)信号经过脉冲压缩处理后的脉压信号。图8(d)和图8(e)分别为经过旁瓣抑制后的主瓣峰值最高和最低参数组合对应的脉压信号。取一次端面回波经过脉冲压缩及旁瓣抑制后的主瓣信噪比进行比较，主瓣峰值最高参数组合对应的信噪比可达42.1 dB，与主瓣峰值最低参数组合对应的信噪比相比，提高了22.1 dB。其中信噪比为最大不失真声音信号强度与同时发出的噪音强度之间的比率，计算公式为

式中:Vp为信号最大电平，Vn为噪声电平，取整个信号的均方根[30]。

由于实验所用的铝合金试样宽度为50 mm，厚度为30 mm，而EMAT探头中曲折线圈长度为50 mm，故根据表面波的产生条件，不是真正严格意义上的表面波，会受到铝合金试样有限边界的限制，进而产生如图8(d)所示的高阶模态导波。

图8 主瓣峰值最高/最低参数组合EMAT对应的实验信号对比

分别取主瓣宽度最大/最小参数组合EMAT对应的一次端面回波经旁瓣抑制后波包的上包络线，并进行归一化处理，如图9所示。由图9可知，与主瓣宽度最大参数组合EMAT对应的一次端面回波的主瓣宽度10.0 μs相比，主瓣宽度最小参数组合对应的主瓣宽度可减少29.6%。

图9 主瓣宽度最大/最小参数组合EMAT对应的一次端面回波经旁瓣抑制后波包对比

4 基于Barker码脉冲压缩技术的电磁超声表面波检测优势分析

4.1 脉冲压缩技术有利于提高检测速度

分别采用中心频率为0.94 MHz的猝发音和Barker码信号作为曲折线圈EMAT的激励电流进行实验分析，其中EMAT设计参数和Barker码信号参数为表3中给出的主瓣峰值最高参数组合。图10(a)为无同步平均的猝发音驱动对应的超声回波信号，图10(b)为猝发音驱动对应的超声回波信号经64次同步平均抑噪处理后的结果。图10(c)为采用脉冲压缩技术在无同步平均条件下对应的超声回波信号。由图10(b)和图10(c)可知，与猝发音驱动经64次同步平均抑噪效果相比，采用脉冲压缩技术在无同步平均条件下可将回波信噪比提高2.2 dB。

图10 脉冲压缩技术和猝发音驱动配合同步平均抑噪对应的超声回波信号

不同同步平均次数时，猝发音驱动与Barker码脉冲压缩对应的直达波信噪比如表5所示。由表5可知，与猝发音驱动相比，采用Barker码脉冲压缩技术，信噪比至少提高7.1 dB。当同步平均次数为16时，采用脉冲压缩技术可以将信噪比提高9.7 dB。与猝发音驱动配合16次同步平均抑噪相比，采用脉冲压缩技术在无同步平均条件下可将回波信噪比提高4.1 dB。由此可见，将Barker码脉冲压缩技术应用于电磁超声表面波检测，可在无同步平均条件下获取足够信噪比的检测回波，这样可以提高检测速度，以便实现高温条件下的在线快速检测。

表5 猝发音驱动与脉冲压缩技术在不同同步平均次数时对应的信噪比

4.2 脉冲压缩技术有利于EMAT大提离检测

图11(a)为提离为1.3 mm、无同步平均的猝发音驱动对应的超声回波信号，图11(b)为提离为1.3 mm、Barker码脉冲压缩技术在无同步平均时对应的超声回波信号。由图11(a)可知，直达波被淹没在噪音之中，无法实施表面裂纹的检测。由图11(b)可知，采用Barker码脉冲压缩技术能得到信噪比为20.1 dB的直达波，能有效区分直达波和噪音。

图11 无同步平均、提离为1.3 mm时，猝发音驱动与Barker码脉冲压缩技术对应的超声回波信号

不同平均次数和提离时，猝发音驱动与Barker码脉冲压缩对应的直达波信噪比如表6所示。由表6可知，当提离分别为0.8 mm、1.3 mm时，与猝发音驱动相比，采用脉冲压缩技术可将信噪比至少分别提高17.3 dB、20.1 dB。与猝发音驱动经16次同步平均抑噪相比，采用脉冲压缩技术在无同步平均条件下得到的回波信噪比更高，在提离为0.8 mm、1.3 mm时，脉冲压缩技术可将信噪比分别提高13.2 dB、3.9 dB。

表6 猝发音驱动与脉冲压缩技术在不同提离、同步平均次数时的信噪比

4.3 脉冲压缩有利于实现小缺陷检测

在长1 100 mm×宽70 mm×高30 mm的铝合金试样上预制缺陷并进行检测实验，裂纹的长度、宽度和深度分别为5 mm、1 mm和0.5 mm。含裂纹的铝合金试样和EMAT位置示意图如图12所示。

图12 含裂纹的铝合金试样和EMAT位置示意图

在不同同步平均次数的条件下，猝发音驱动与脉冲压缩技术对应的缺陷波信噪比如表7所示。

表7 猝发音驱动与脉冲压缩技术在不同同步平均次数时的信噪比

图13(a)、(b)分别为同步平均次数为32、64时猝发音驱动对应的超声回波，其中缺陷波的信噪比分别为10.0 dB、13.8 dB。由图13和表7可知，无同步平均的Barker码脉冲压缩技术比同步平均次数为32的猝发音驱动对应的超声回波信噪比更高，可将信噪比提高2.0 dB。图13(c)、(d)分别为同步平均次数为8、16时，Barker码脉冲压缩对应的超声回波，其中缺陷波的信噪比分别为20.6 dB、23.1 dB。与同步平均次数为64的猝发音驱动对应的缺陷回波相比，同步平均次数为16的Barker码脉冲压缩技术可将缺陷波信噪比提高9.3 dB。

图13 猝发音驱动与Barker码脉压信号缺陷检测结果对比

5 结论

①曲折线圈EMAT设计参数和Barker码信号参数是影响脉冲压缩后的主瓣峰值和主瓣宽度的重要因素。因此有必要选择合适的曲折线圈EMAT设计参数和Barker码信号参数，使EMAT检测回波信噪比和空间分辨率同时提高。

②对于长5 mm×宽1 mm×深0.5 mm的裂纹，传统猝发音驱动经过32次同步平均抑噪才能获取信噪比为10.0 dB的缺陷波，而Barker码脉冲压缩技术，可在无同步平均的条件下获取信噪比为12.0 dB的缺陷波。

③将基于Barker码脉冲压缩算法的电磁超声表面波技术应用于高温铝合金表面缺陷检测，可以在较少同步平均次数和较大提离条件下获取足够信噪比的缺陷波。这样不仅可以减小检测时间，避免EMAT在高温检测过程的损坏，而且还可以快速、准确地获取缺陷波，能够有效解决高温检测条件下EMAT换能效率低、信噪比低等难题，对高温铝合金铸锻件关键参数的在线无损检测具有重要参考价值。关于高温EMAT探头设计及其高温检测效果，还有待在后期的研究中进一步解决。