板狀結(jié)構(gòu)缺陷電磁超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)研究進(jìn)展

劉 燕，王悅民，孫豐瑞，申傳俊

（1.海軍工程大學(xué) 理學(xué)院，武漢 430033；2.海軍工程大學(xué) 船舶與動力學(xué)院，武漢 430033）

近些年來，作為船舶維修手段之一的導(dǎo)波無損檢測技術(shù)，得到普遍重視，在船舶維修保障中發(fā)揮了極其重要的作用。導(dǎo)波探傷適用性廣泛，可以使用在幾乎所有船舶部件的無損檢測上，包括管材、板材、鑄件、鍛件和焊縫。其中板件由于在制造、成形過程中不可避免地存在少量缺陷，如分層、裂紋、劃傷等，同時(shí)由于外部加載以及使用環(huán)境的變化，也可能引起板件內(nèi)部細(xì)小缺陷的擴(kuò)展，進(jìn)而造成破壞性事故，因此，對這些板形構(gòu)件進(jìn)行定期檢測，具有十分重要的意義。

對于板殼結(jié)構(gòu)，常規(guī)的超聲檢測方法是超聲C掃描法［1－2］，也就是用探頭對被測工件進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，形成C掃描圖像，從而檢測工件是否存在缺陷。當(dāng)被檢工件較大時(shí)，C掃描方法很費(fèi)時(shí)，效率較低。隨著大型工件在工業(yè)中越來越廣泛的應(yīng)用，需要一種高效便捷的檢測方法對其進(jìn)行快速檢測。相對于常規(guī)超聲波而言，超聲導(dǎo)波能夠進(jìn)行快速、長距離、大范圍、成本相對低的無損檢測，因此，目前導(dǎo)波無損檢測技術(shù)已成為超聲檢測領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。國內(nèi)外眾多學(xué)者針對板結(jié)構(gòu)的健康檢測進(jìn)行了大量的研究工作［3－4］，包括含多處損傷板結(jié)構(gòu)［5］對導(dǎo)波的散射問題，用數(shù)值計(jì)算方法研究了損傷周圍散射位移場的分布情況；利用導(dǎo)波對板厚2.76mm并蝕刻了一個(gè)人工腐蝕缺陷的鋼板［6］進(jìn)行探測，通過分析不同模態(tài)對缺陷的敏感程度，選擇合適的模態(tài)用于對板狀結(jié)構(gòu)中隱蔽腐蝕缺陷的檢測；對導(dǎo)波在各向異性層狀介質(zhì)中［7］的傳播特性進(jìn)行研究，提出缺陷檢測的算法，并利用該算法對有兩處損傷的復(fù)合板進(jìn)行檢測。

對于厚度為幾個(gè)波長的薄板，當(dāng)超聲波傳播一定距離后由于薄板上下表面不斷反射，使得此時(shí)超聲波已不再是普通的橫波或縱波，而是一種新的超聲波形式，即蘭姆波。由于蘭姆波在板中傳播時(shí)聲場遍及整個(gè)壁厚，傳播距離較長且衰減較小，因此蘭姆波常用于板狀材料的檢測。電磁超聲換能器（EMAT）激勵蘭姆波的技術(shù)可以用于非接觸、快速、全面地評估板材的健康狀況，無需加入耦合劑、重復(fù)性好，但相對壓電傳感器來說，其主要不足是換能效率比較低，因此，目前有很多研究者在控制導(dǎo)波的相關(guān)噪聲和信號提取方面做著進(jìn)一步的研究。

1 用EMAT激發(fā)蘭姆波

EMAT技術(shù)的核心是電磁超聲換能器，該器件與傳統(tǒng)的壓電超聲換能器的本質(zhì)區(qū)別在于其發(fā)射接收方式不同。EMAT靠電磁效應(yīng)發(fā)射和接收超聲波，其能量轉(zhuǎn)換在被測工件表面的集膚層內(nèi)直接進(jìn)行，不需要與工件接觸并且不需要任何耦合介質(zhì)。電磁超聲產(chǎn)生彈性波的機(jī)理主要依賴于材料的性質(zhì)。在非鐵磁材料中，聲波的產(chǎn)生是洛倫茲力作用在材料晶格上的結(jié)果；在鐵磁材料中，磁致伸縮機(jī)制則是主要的換能機(jī)制。

電磁超聲在鐵磁材料中激勵Lamb波的探頭結(jié)構(gòu)如圖1所示，曲折線圈和平行于Lamb波傳播方向的靜偏磁場是探頭的主要構(gòu)成［8－9］。

圖1 電磁聲傳感器激發(fā)Lamb波的工作機(jī)制

BS為EMAT磁鐵產(chǎn)生的靜磁場，曲折線圈在高頻大功率發(fā)射電流JC激勵下在工件中產(chǎn)生交變電磁場Bd，并在工件集膚深度內(nèi)感應(yīng)出渦流JE；洛侖茲力F由下式給出［8］：

磁致伸縮是指當(dāng)鐵磁材料磁化狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，其長度、體積或形狀相應(yīng)發(fā)生變化的現(xiàn)象，變化形式主要有線性磁致伸縮、體積磁致伸縮和由退磁能引起的形狀效應(yīng)等，后兩種變化一般都非常微弱。引起Lamb波激勵的主要是等體積的線性磁致伸縮效應(yīng)。

圖2所示為磁致伸縮效應(yīng)激勵SH0模式板波的機(jī)理［10］，當(dāng)曲折線圈中通以高頻交變電流時(shí)，將在材料表層內(nèi)感應(yīng)出動態(tài)的交變磁場，如果忽略位移電流，按照安培定律會產(chǎn)生出動態(tài)的交變渦流，在靜態(tài)偏置磁場Hs作用下，發(fā)生磁致伸縮效應(yīng)并產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力對材料晶格作用，從而產(chǎn)生應(yīng)力波。低碳鋼薄板SH0模式板波的幅值最初隨著靜態(tài)磁場增加到最大值，然后逐漸減小到最小值，最后隨著相位倒置90°，增加到最大值。

圖2 磁致伸縮型電磁聲傳感器激發(fā)SH0板波的工作機(jī)制

圖3所示為磁致伸縮效應(yīng)激勵S0模式Lamb波的機(jī)理，低碳鋼薄板S0模式板波的幅值最初隨著靜態(tài)磁場減為最小值，然后隨著相位倒置180°而增加，最后在沒有相位倒置下減少。

圖3 磁致伸縮型電磁聲傳感器激發(fā)S0模式Lamb波的工作機(jī)制

曲折線圈的制作可以采用扁平電纜、銅線等不同的方式，還可以將其做成印制電路板以提高換能效率并使其更加耐用。線圈的間距是EMAT設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，其設(shè)計(jì)必須滿足相位匹配條件，即線圈間距為Lamb波波長的一半：

式中λ為波長；cP為波速；f為頻率；d為相鄰兩導(dǎo)線的中心距離。滿足相位匹配條件的線圈能使換能效率達(dá)到最大，激發(fā)和接收的信號幅值最高。

目前，EMAT應(yīng)用很廣，包括對金屬母材的缺陷探測、焊縫的檢測、測厚、復(fù)合材料的檢測、鐵路鐵軌、車輪的檢測、應(yīng)力測量和高溫檢測等。Raymond W Tucker［11］等利用EMAT對天然氣管道的焊縫與裂紋進(jìn)行探測。Hirotsugu Ogi［12］等利用EMAT產(chǎn)生軸向剪切波，對旋轉(zhuǎn)軸的疲勞裂紋進(jìn)行探測，以評估其壽命。Won－Bae Na［13］等利用 EMAT對填充混凝土的鋼管由于腐蝕而造成的壁厚變化以及管內(nèi)壓力值的變化進(jìn)行了研究，并利用柱狀波對鋼管的缺陷進(jìn)行檢測，取得了比較好的效果。

在板狀結(jié)構(gòu)缺陷研究方面，Riichi Murayama［14－15］等人做了大量的研究，他們利用 EMAT對冷軋鋼板可塑變形進(jìn)行檢測研究，比較了洛侖茲力型和磁致伸縮型EMAT基本性能，用1mm厚的冷軋鋼板為例，磁致伸縮型EMAT檢測到的最大信號幅值出現(xiàn)在磁化電流增加到中間的位置，而洛侖茲力型EMAT檢測到的信號幅值隨著磁化電流的增加而增大。與洛侖茲力型EMAT相比，磁致伸縮型EMAT選取的最優(yōu)化電流不到洛侖茲力型EMAT磁化電磁體所用最大電流的十分之一，而磁致伸縮型EMAT產(chǎn)生的最大幅值是洛侖茲力型EMAT的5倍多。同時(shí)，他們還利用EMAT開發(fā)了超聲波檢測機(jī)器人［16］，既能激勵SH平板波又能激勵Lamb波，用以對存儲器和管道進(jìn)行自動檢測。Dixon［17］等人設(shè)計(jì)了一套非接觸EMAT裝置，在鋁板和鋼板中產(chǎn)生和檢測Lamb波和瑞利波，并且還設(shè)計(jì)了雙探頭［18－19］形式，用以表面缺陷和次表面缺陷的檢測。

國內(nèi)最早將電磁聲用于無損檢測研究的是北京鋼鐵研究院的張廣純等［20－21］，他們通過發(fā)射大功率脈沖信號，在厚度為18mm的鋼板中產(chǎn)生Lamb波檢測缺陷，所用發(fā)射機(jī)功率＞50kW。為了消除EMAT檢測的盲區(qū)，該技術(shù)采用了兩個(gè)線圈同時(shí)進(jìn)行檢測。目前對電磁聲無損檢測進(jìn)行研究的機(jī)構(gòu)有上海交通大學(xué)、中國科學(xué)院聲學(xué)研究所、中國礦業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)。朱紅秀［22］通過試驗(yàn)研究，確定了電磁超聲換能器最佳勵磁電流，并利用ANSYS有限元軟件，對用于鋼管缺陷檢測的電磁聲換能器的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算，得到磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布規(guī)律。上海交通大學(xué)的張志剛、闕沛文［23］等人設(shè)計(jì)了一種新穎的SH波和Lamb波雙模式電磁超聲換能探頭，可有效應(yīng)用于工業(yè)板材或管材的自動化在線檢測。清華大學(xué)的張永生、黃松嶺［24］等人設(shè)計(jì)了一種基于電磁超聲的鋼板裂紋檢測系統(tǒng)，可以直接在鋼板中激發(fā)超聲波，對裂紋的定位誤差≤1%。相對傳統(tǒng)的PET探傷裝置，EMAT探傷速度更快，例如EMAT自動探傷裝置針對24m長鋼板的一個(gè)探傷周期僅為34s，EMAT可在板內(nèi)形成均勻的電磁超聲波場，使各區(qū)域的檢測靈敏度均勻，同時(shí)相鄰EMAT探頭間易形成重疊區(qū)域，滿足一些特殊的探傷要求。

2 EMAT的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在EMAT中，換能器已不單是通以交變電流的渦流線圈以及外部固定磁場的組合體，金屬表面也是換能器的一個(gè)重要組成部分，電和聲的轉(zhuǎn)換是靠金屬表面來完成的。為了提高EMAT的檢測效率，EMAT自身的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。相對壓電傳感器來說，EMAT的主要不足是其換能效率比較低。對以洛侖茲力為原理工作的EMAT，當(dāng)體波的波長遠(yuǎn)大于集膚深度，且忽略因衍射而引起的損耗和放大器產(chǎn)生的噪聲，并假定已實(shí)現(xiàn)理想的匹配時(shí)，可以得到信噪比的表達(dá)式［25－26］：

式中p0為發(fā)射線圈輸入的功率；R0為線圈單位面積上的電阻；W 為線圈的寬度。從式中可以看出，影響系統(tǒng)效率最為關(guān)鍵的因素是所施加偏置磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度，它與洛侖茲力和磁致伸縮力成正比，提高外磁場強(qiáng)度，可增大質(zhì)點(diǎn)振動速度和聲強(qiáng)，提高接收電壓幅值，即提高了信噪比和檢測靈敏度。

EMAT線圈設(shè)計(jì)的原則是要提高線圈的轉(zhuǎn)換效率，產(chǎn)生在金屬表面?zhèn)鞑サ某暡ā＞€圈的設(shè)計(jì)可采用直導(dǎo)線、折回線圈、螺旋線圈、“回”形線圈和“呂”形線圈。文獻(xiàn)［27］中，通過在EMAT的發(fā)射器線圈后設(shè)置一個(gè)鐵磁性材料，增加渦流值。EMAT磁鐵設(shè)計(jì)的原則是要能產(chǎn)生高強(qiáng)度的磁場，為了在介質(zhì)表面和近表面形成強(qiáng)偏轉(zhuǎn)磁場，近幾年來，具有強(qiáng)磁場永磁體的采用，大大提高了EMAT的效率。相對較低換能效率的EMAT來說，采用高功率的激勵，不僅能提高信噪比，而且在超聲導(dǎo)波模式的選擇上有更重要的作用，電子器件的迅速發(fā)展使制造大功率的發(fā)射電路成為可能。冷濤等［28］研制的多功能電磁聲試驗(yàn)平臺，為了抑制共模噪聲、提高信噪比，采用了前置放大器和主放大器兩項(xiàng)放大的形式，在電磁聲接收線圈的輸出端設(shè)置了前置差分放大器，把信號初步放大后再用雙絞線送至主放大器，進(jìn)一步放大。

EMAT工作過程的理論研究主要集中在EMAT的建模仿真及對電磁超聲波發(fā)射和接收物理過程的認(rèn)知上。準(zhǔn)確的模型有利于對EMAT工作過程的分析，并指導(dǎo)系統(tǒng)優(yōu)化。有限元分析基于變分原理，從全新的角度求解一類偏微分方程，不僅求解性能好，而且求解精度也較高，是一種應(yīng)用于EMAT模型行之有效的數(shù)值分析方法［26］。Dutton［29］利用三維有限元建模和仿真分析，在不增設(shè)前置放大的前提下，通過對EMAT的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其磁感應(yīng)強(qiáng)度從0.29T增加至0.52T，當(dāng)提離距離＜0.5mm時(shí)，信噪比由8.3增加為16.5。Koorosh Mirkhani利用三維有限元模型第一次完整詳細(xì)地給出了靜態(tài)磁通的計(jì)算［30］，從而為磁場的合理配置提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

3 超聲導(dǎo)波聚焦

由于導(dǎo)波傳播過程中存在的頻散效應(yīng)，在任意頻率下至少存在兩種模態(tài)，并且某些模態(tài)在高頻時(shí)散射嚴(yán)重，使得信號的識別比較困難，特別是多缺陷板的導(dǎo)波檢測信號識別更是一個(gè)難題。為了補(bǔ)償導(dǎo)波的頻散，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波的聚焦，Rose的研究團(tuán)隊(duì)提出了導(dǎo)波聚焦理論，Hayashi［31］利用半分析有限元方法對其進(jìn)行了數(shù)值模擬，采用梳狀傳感器陣列利用相位補(bǔ)償方法對管道進(jìn)行了導(dǎo)波聚焦試驗(yàn)，獲得了較好的效果。國內(nèi)外有很多單位和研究者從事聚焦理論的研究，其中大多數(shù)集中在基于壓電效應(yīng)的超聲導(dǎo)波技術(shù)。1989年Fink等人在超聲方面獲得了時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)聚焦能力的結(jié)論后，時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)成為科學(xué)家們理論和試驗(yàn)研究的一大熱點(diǎn)［32］。所謂時(shí)間反轉(zhuǎn)法，即將不同傳感器接收到的聲源發(fā)射信號，按其時(shí)間歷程的反向過程重新向介質(zhì)發(fā)射回去，使得信號先到后發(fā)、后到先發(fā)，同時(shí)回到波源處，該處理是有效地實(shí)現(xiàn)聲源信號重構(gòu)的一種方法。當(dāng)波源在結(jié)構(gòu)中激發(fā)出一定形式的波形后，信號被傳感器捕獲得到監(jiān)測信號，將這些監(jiān)測信號時(shí)間反轉(zhuǎn)，并在各自的傳感器上同時(shí)加載，則這些信號同時(shí)同相到達(dá)波源處，形成聚焦。1998年中國科學(xué)院研究所的魏煒、劉晨、汪承灝［33］進(jìn)行了利用時(shí)間反轉(zhuǎn)法使得聲束在固體中自適應(yīng)聚焦的研究，對采用實(shí)際上能實(shí)現(xiàn)的、有限個(gè)數(shù)的、有限寬度的條狀元構(gòu)成換能器陣列，作時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)。理論分析得出了簡明的解析結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果證明，時(shí)間反轉(zhuǎn)法可以實(shí)現(xiàn)信號的聚焦增益，提高聲波信號在固體介質(zhì)中的信噪比。滕飛［34］用時(shí)間反轉(zhuǎn)蘭姆波進(jìn)行了檢測板材缺陷的試驗(yàn)，根據(jù)鋁板中可能存在的缺陷形式，人工預(yù)制模擬缺陷，利用時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦信號對幾種樣板檢測，通過對信號能量分布的分析，實(shí)現(xiàn)對缺陷的存在和位置的判定，解決了蘭姆波在固體介質(zhì)中傳播出現(xiàn)的能量分散問題。陳妍［35］用同樣的方法在有裂紋鋁板上分別做了單通道試驗(yàn)和多通道試驗(yàn)，通過對比有裂紋鋁板與無裂紋鋁板上的聚焦信號并分析聚焦信號的主副瓣比值變化，研究裂紋的定位方法。

超聲相控陣技術(shù)最早應(yīng)用在醫(yī)療領(lǐng)域，后來逐漸被應(yīng)用到噪聲源識別、相控陣?yán)走_(dá)等方面，近來的研究應(yīng)用表明，超聲相控陣成像技術(shù)對工業(yè)構(gòu)件內(nèi)部具有極好的實(shí)時(shí)成像能力，可準(zhǔn)確檢測出物體中的缺陷，并確定其位置、大小和性質(zhì)。常規(guī)的超聲波檢測通常采用一個(gè)壓電晶片來產(chǎn)生超聲波，只能產(chǎn)生一個(gè)固定的波速，其波形是預(yù)先設(shè)計(jì)的且不能更改。相控陣探頭由多個(gè)小的壓電晶片按照一定序列組成，使用時(shí)相控陣儀器按照預(yù)定的時(shí)序?qū)μ筋^中的一組或者全部晶片分別進(jìn)行激活，每個(gè)激活晶片發(fā)射的超聲波速相互干涉形成新的波速，波速的形狀、偏轉(zhuǎn)角等可以通過調(diào)整激發(fā)晶片的數(shù)量、時(shí)間來控制。相控陣對晶片進(jìn)行激活時(shí)所遵循的規(guī)則，即以何種方式的延時(shí)進(jìn)行觸發(fā)稱為聚焦法則（focal law），采用相控陣的方法，可以根據(jù)需要設(shè)置多組聚焦法則，產(chǎn)生多組不同角度的波速同時(shí)進(jìn)行掃查。常用的相控陣陣列有線陣、矩陣、環(huán)陣等，其中一維線型陣列容易編程控制，并且費(fèi)用較低。一維線陣如圖4所示［36］，其中陣元數(shù)量為N，陣元中心間距為d，陣元寬度為a，θ為輻射角，r及ri分別為場點(diǎn)p（r，θ）到陣列中第1個(gè)和第i個(gè)陣元的距離。利用相控陣技術(shù)對材料及構(gòu)件進(jìn)行無損檢測時(shí)，為了獲得最好的檢測效果，需在某一特定方向（即偏轉(zhuǎn)方向）上聲壓值最大，而在其他方向的聲壓值最小。陣列相控陣換能器參數(shù)優(yōu)化的目的在于使波速具有最小的方向銳角，消除柵瓣，抑制旁瓣幅值，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)包括N，d，a及λ（即中心頻率f）。

圖4 線形相控陣列的輻射聲場

電磁聲傳感器相控陣聚焦技術(shù)可以借鑒壓電式超聲導(dǎo)波相控陣聚焦方法，但傳感器基于的物理特性不同，存在本質(zhì)的差別，不能照搬。Maclauchlan等人用有限元數(shù)值模擬方法來優(yōu)化設(shè)計(jì)磁鐵的配置，并采用相控陣的方法來實(shí)現(xiàn)聚焦［25］，該EMAT已達(dá)到32通道、最大100kW的驅(qū)動功率，可調(diào)整聲束20000次／s。Sawaragi在原有的4單元相控陣EMAT的基礎(chǔ)上，研制了具有8個(gè)發(fā)射器和8個(gè)接收器的8單元相控陣EMAT［37］，并通過對管道上的人為缺陷進(jìn)行檢測，證明了其檢測性能的提高。

4 板狀結(jié)構(gòu)缺陷超聲波成像技術(shù)

EMAT對噪聲十分敏感，僅從結(jié)構(gòu)上優(yōu)化往往很難達(dá)到滿意效果，對接收信號的處理也是EMAT系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必不可少的環(huán)節(jié)［38］。超聲波成像技術(shù)也被應(yīng)用于EMAT接收信號的處理中。Hutchins等人采用合成孔徑聚焦技術(shù)（SAFT）對檢測信號進(jìn)行處理并成像，同時(shí)對常用SAFT法作了修正，更適于EMAT信號的處理［39］。1993年 Hutchins對鋁板中的孔類缺陷［40］進(jìn)行了層析成像研究。試驗(yàn)表明，采用脈沖激光源和電磁聲換能器接收產(chǎn)生的蘭姆波信號可用于薄板材料的結(jié)構(gòu)變化層析成像。斯坦福大學(xué)的Chun H和Fu－Kuo Chang等人［41］研究了綜合時(shí)間反轉(zhuǎn)成像方法和合成孔徑技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對損傷的監(jiān)測。

當(dāng)板材中有缺陷存在時(shí)，Lamb波傳播到缺陷位置時(shí)有一部分發(fā)生了反射和散射［42］，大部分還是繞過了缺陷繼續(xù)向前傳播，當(dāng)遇到大的反射邊界時(shí)又反射回來被EMAT接收裝置接收。由于缺陷對Lamb波傳播的“阻隔”作用，使得最終接收到的Lamb波信號能量比沒有缺陷時(shí)變小了，反映在時(shí)域波形上就是反射波包的幅值變小，此外由于缺陷對Lamb波的反射作用，使得有一部分Lamb波反射回去被接收裝置接收，這時(shí)就會有一個(gè)小的波包出現(xiàn)，較原來沒有缺陷的情況而言，波形會發(fā)生較大畸變。通過波形對比觀察，如果邊界反射波包幅值有衰減，就可以判斷接收探頭與反射邊界之間存在缺陷。根據(jù)邊界反射波包的衰減程度，可以判斷缺陷的大小。同時(shí)還可以根據(jù)缺陷反射波包的幅值大小來判斷缺陷的大小，通過它在時(shí)間軸上出現(xiàn)的時(shí)間來計(jì)算出具體的缺陷位置。然而，由于系統(tǒng)的其他自然變化（如溫度等）引起信號的各種改變，這種與基準(zhǔn)信號模式比較的方法很容易導(dǎo)致?lián)p傷誤報(bào)。為了減小對基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的依賴性，根據(jù)時(shí)間反轉(zhuǎn)方法的思想，將聚焦時(shí)刻結(jié)構(gòu)中各點(diǎn)的波動幅值顯示出來，能量最大的地方為聚焦處，即損傷處，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對損傷的成像監(jiān)測。在計(jì)算機(jī)中處理波形數(shù)據(jù)，成像算法是核心，對于一個(gè)含有N個(gè)超聲探頭的EMAT陣列采用相控陣掃查，首先輪流選擇一個(gè)探頭作為激勵器，其它探頭作為傳感器，獲得各方向的損傷散射信號，再利用這些信號對損傷進(jìn)行合成成像，采用改進(jìn)的成像算法：

式中Amn為權(quán)值系數(shù)，為簡單起見，在后面的成像中均取相同的放大系數(shù)，取值為1010；fmn為第m個(gè)探頭激勵，第n個(gè)探頭接收到的損傷散射信號絕對值包絡(luò)；Rijm和Rijn分別為該像素點(diǎn)到激勵探頭m和接收探頭n的距離；t0為輸入激勵信號的時(shí)刻；v為Lamb波傳播速度。式（4）各符號可以用圖5說明［43］。

圖5 損傷成像時(shí)間反轉(zhuǎn)法原理

5 有待解決的問題

電磁超聲傳感器在鐵磁材料中激勵蘭姆波的換能結(jié)構(gòu)和機(jī)理模型，以及磁致伸縮機(jī)制在弱磁化狀態(tài)下影響換能效率的主導(dǎo)機(jī)制是整個(gè)研究的基礎(chǔ)和難點(diǎn)，理論上應(yīng)盡量減少各種能量的泄露，提高電、磁、力、聲波等能量的相互轉(zhuǎn)換效率，因此，需先對模型進(jìn)行數(shù)值分析，換能器中從電能轉(zhuǎn)換為聲波能的每一功能部件都要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和計(jì)算，并用試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

電磁超聲相控陣的優(yōu)化設(shè)計(jì)，雖然可以借鑒一些現(xiàn)有的壓電式傳感器陣列布置，但電磁超聲傳感器與壓電式傳感器有本質(zhì)的不同，因此還需對電磁超聲導(dǎo)波的聚焦特征、激勵信號的時(shí)間延遲和幅值控制對聚焦的影響、激勵點(diǎn)與目標(biāo)間的距離變化條件下聚焦的潛力等進(jìn)行大量的理論和試驗(yàn)研究。

電磁超聲導(dǎo)波平板無損檢測定量化的研究是建立在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，尋找并提取可以體現(xiàn)定量化的特征信息參數(shù)，通過反演重構(gòu)方法，建立缺陷與檢測／接收信號間的關(guān)系模型。由于導(dǎo)波具有多模式及頻散特性，給檢測信號的辨識增加了難度，需要在時(shí)域、頻域與空間域選取多種信號處理技術(shù)和算法，建立導(dǎo)波反射信號與缺陷類型的對應(yīng)關(guān)系。

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