點(diǎn)聚焦表面波EMAT聲場(chǎng)特性及其試驗(yàn)

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(南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063)

與傳統(tǒng)的壓電式換能器相比，電磁超聲換能器(EMAT)由于不需要耦合劑、較粗糙表面也可以直接探傷等特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于高溫、移動(dòng)、在線、快速檢測(cè)等惡劣環(huán)境中[1-2]，特別是傳統(tǒng)壓電超聲所不能適用的檢測(cè)場(chǎng)合。由于曲折線圈EMAT換能效率低、信噪比低，為了解決這一難題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要針對(duì)其機(jī)理進(jìn)行了大量研究，包括對(duì)相鄰線圈之間的間距、線圈長(zhǎng)度以及磁鐵的大小、提離距離、接收方式等[3]。為了能夠增強(qiáng)曲折線圈EMAT的檢測(cè)效果，特別是針對(duì)微小裂紋或點(diǎn)狀缺陷，研究者們提出了聚焦EMAT，其采用圓弧形曲折線圈，以實(shí)現(xiàn)超聲波能量的聚焦。例如，2016年THRING C B等介紹了一種提高EMAT檢測(cè)分辨率的新方法，該方法使用經(jīng)過(guò)優(yōu)化的聚焦EMAT產(chǎn)生2 MHz的表面波。這種高頻率表面波可以檢測(cè)到毫米級(jí)深度缺陷，可以檢出長(zhǎng)為2 mm，寬為1.5 mm的缺陷，缺陷長(zhǎng)度上限為(2.1±0.5) mm[4]。2017年THRING C B等提出采用聲波聚焦的方式來(lái)提高表面破裂缺陷的信號(hào)強(qiáng)度和檢測(cè)精度，使用2 MHz的激勵(lì)信號(hào)，聚焦深度為(3.7±0.25) mm，允許缺陷長(zhǎng)度測(cè)量精度為±0.4 mm，可用于檢測(cè)長(zhǎng)度為1 mm和深度小于0.5 mm的缺陷[5]。

目前關(guān)于聚焦表面波EMAT與圓孔、裂紋的作用規(guī)律還有待進(jìn)一步深入，為此，筆者主要針對(duì)曲折線圈表面波EMAT換能效率和信噪比低這一問(wèn)題，提出了點(diǎn)聚焦表面波EMAT，進(jìn)行了聲場(chǎng)分析和影響參數(shù)分析，并與傳統(tǒng)的曲折線圈EMAT進(jìn)行了對(duì)比，最后搭建了點(diǎn)聚焦表面波EMAT探頭，并進(jìn)行了鋁板檢測(cè)試驗(yàn)研究。

1 點(diǎn)聚焦表面波EMAT聲場(chǎng)特性及其影響因素

1.1 點(diǎn)聚焦表面波EMAT換能機(jī)理

基于洛倫茲力換能機(jī)理的點(diǎn)聚焦表面波EMAT如圖1所示。其機(jī)理為：激勵(lì)發(fā)射裝置在圓弧線圈內(nèi)通以高頻交變電流，并在試件集膚深度內(nèi)產(chǎn)生與之方向相反的渦流；渦流在釹鐵硼永磁體的強(qiáng)磁場(chǎng)作用下，引起質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生周期性的振動(dòng)和彈性形變；由于表面波EMAT線圈的相鄰導(dǎo)線間距l(xiāng)嚴(yán)格等于表面波波長(zhǎng)的二分之一，因此圓弧線圈各匝導(dǎo)線激發(fā)的高頻振動(dòng)會(huì)發(fā)生相長(zhǎng)干涉，進(jìn)而產(chǎn)生沿試件表面?zhèn)鞑サ碾姶懦暠砻娌?。圖1中，Jc為激勵(lì)電流，JE為鏡向電流，Bs為電磁感應(yīng)強(qiáng)度，fL為感應(yīng)力。圓弧線圈上各個(gè)質(zhì)點(diǎn)受到的力均垂直于線圈，能夠逐漸聚焦于一點(diǎn)并產(chǎn)生點(diǎn)聚焦表面波，從而能檢測(cè)一定深度范圍內(nèi)的表面缺陷,缺陷檢測(cè)模型如圖2所示。

圖1 點(diǎn)聚焦表面波EMAT換能機(jī)理示意圖

圖2 缺陷檢測(cè)模型

接收裝置是發(fā)射的逆過(guò)程，具體換能機(jī)理如下：當(dāng)超聲波遇到端面或者缺陷以后，反射波到達(dá)接收線圈的正下方，引起材料晶格發(fā)生形變，當(dāng)有外加磁場(chǎng)的情況下就會(huì)在材料中產(chǎn)生電渦流，并在空氣中形成動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)，而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，作為超聲波被接收。

1.2 電磁超聲點(diǎn)聚焦表面波傳播有限元模型構(gòu)建

為研究點(diǎn)聚焦表面波的形成條件及圓弧曲折線圈對(duì)其換能效率的影響，建立了點(diǎn)聚焦表面波在鋁板中的傳播三維有限元模型。被檢測(cè)材料設(shè)置為一個(gè)半徑為100 mm，厚度為20 mm的鋁圓盤(pán)，在鋁圓盤(pán)表面布置k匝等間距的等弧度線圈，然后直接對(duì)每匝線圈加載相應(yīng)的載荷，激勵(lì)力的加載方式如圖3(a)所示，該激勵(lì)力用于表示在偏置永磁場(chǎng)作用下，脈沖電渦流形成的洛倫茲力，其函數(shù)為：

(1)

式中：k為線圈每匝導(dǎo)線的序號(hào)；角頻率ω=2πf，f為中心頻率；n為正弦脈沖串個(gè)數(shù);t為激勵(lì)力作用時(shí)間。

筆者通過(guò)穩(wěn)態(tài)分析研究頻率分別為0.5,1.0,1.5 MHz下的聲場(chǎng)發(fā)散規(guī)律。對(duì)于瞬態(tài)模型，仿真頻率統(tǒng)一設(shè)置為0.45 MHz，然后對(duì)構(gòu)建的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選擇掃掠網(wǎng)格，選中需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分的區(qū)域，選擇定制單元尺寸，對(duì)最大單元尺寸參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，全部構(gòu)建，完成網(wǎng)格區(qū)域劃分。對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格劃分后的模型如圖3(b)所示。

圖3 點(diǎn)聚焦表面波在鋁圓盤(pán)中傳播的有限元模型

1.3 點(diǎn)聚焦表面波聲場(chǎng)特性分析

如圖4所示，在足夠大的鋁板上布置4匝圓弧線圈，設(shè)置線圈之間間距為3 mm,將需加載載荷的線圈設(shè)置為四分之一圓，對(duì)應(yīng)的奇數(shù)匝加載一個(gè)正向的線作用力，偶數(shù)匝加載一個(gè)反向的線作用力，均以單位長(zhǎng)度力的類(lèi)型進(jìn)行加載。經(jīng)計(jì)算后對(duì)結(jié)果進(jìn)行后處理，頻率0.5，1.0，1.5 MHz對(duì)應(yīng)的三維模型聲場(chǎng)分布如圖4所示。

圖4 不同頻率下的點(diǎn)聚焦表面波聚焦聲場(chǎng)

為了更加直觀地觀察鋁塊模型表面及近表面的聲場(chǎng)分布，取垂直于圓盤(pán)上下表面且平分圓弧線圈的截面，截面上的聲場(chǎng)分布如圖5所示。由圖5可知：隨著頻率的增大，超聲波的聚焦聲場(chǎng)也會(huì)發(fā)生改變，當(dāng)頻率由0.5 MHz增加至1.5 MHz時(shí)，超聲波由點(diǎn)聚焦表面波轉(zhuǎn)為聚焦體波。

圖5 不同激勵(lì)頻率對(duì)應(yīng)點(diǎn)聚焦表面波在鋁盤(pán)截面上的 聲場(chǎng)分布圖

圖6 點(diǎn)聚焦表面波EMAT和曲折線圈EMAT產(chǎn)生的 表面波的瞬態(tài)聲場(chǎng)快照(時(shí)間為2.2×10-5 s)

1.4 點(diǎn)聚焦表面波EMAT聲場(chǎng)影響規(guī)律分析

為了分析點(diǎn)聚焦表面波EMAT對(duì)微小缺陷檢測(cè)的能力，將其與傳統(tǒng)曲折線圈EMAT的聲場(chǎng)特性進(jìn)行對(duì)比。運(yùn)用單一變量法，設(shè)置同樣長(zhǎng)度、線寬、匝數(shù)的線圈以及同樣尺寸的圓孔以及斜裂紋缺陷，每匝線圈均施加一個(gè)0.5 MHz頻率的單位體積激勵(lì)力。圖6(a)所示為傳統(tǒng)曲折線圈EMAT產(chǎn)生的表面波，圖6(b)所示為點(diǎn)聚焦表面波(圓弧線圈)EMAT形成的聚焦表面波。由圖6可知：圓弧線圈產(chǎn)生的表面波逐漸聚焦于圓心處，曲折線圈產(chǎn)生的表面波平行于線圈向外傳播。

當(dāng)兩種線圈EMAT產(chǎn)生的表面波經(jīng)過(guò)φ10 mm孔時(shí)，缺陷回波的強(qiáng)度不同，兩種線圈對(duì)圓孔缺陷回波的聲場(chǎng)快照如圖7所示(時(shí)間為3.8×10-5s)。由圖7可知：曲折線圈EMAT對(duì)應(yīng)的缺陷回波信號(hào)較微弱，而用點(diǎn)聚焦表面波EMAT檢測(cè)則能夠觀察到較明顯的缺陷回波。圖8所示為點(diǎn)聚焦表面波EMAT和曲折線圈EMAT產(chǎn)生的表面波對(duì)φ10 mm圓孔缺陷的檢測(cè)結(jié)果對(duì)比圖，點(diǎn)聚焦表面波EMAT和曲折線圈EMAT對(duì)應(yīng)的最大缺陷回波幅值約為0.23×10-22,0.03×10-22mm,前者約為后者的8倍。

圖7 點(diǎn)聚焦表面波EMAT和曲折線圈EMAT產(chǎn)生的 表面波與孔的相互作用聲場(chǎng)快照

圖8 點(diǎn)聚焦表面波EMAT和曲折線圈EMAT對(duì) φ10 mm圓孔缺陷的檢測(cè)回波幅值對(duì)比

為了對(duì)比檢測(cè)不同類(lèi)型缺陷的仿真效果，設(shè)置了長(zhǎng)為40 mm、寬為2 mm的條形斜裂紋缺陷，缺陷位置均設(shè)置在垂直于線圈中軸線位置上，繪制兩種線圈對(duì)應(yīng)的仿真云圖及缺陷波強(qiáng)度信號(hào)圖，對(duì)比分析兩種線圈對(duì)缺陷回波的接收情況。

圖9為兩種線圈對(duì)斜裂紋缺陷檢測(cè)的仿真云圖，從缺陷回波信號(hào)的傳播可以看出，點(diǎn)聚焦EMAT對(duì)微小斜裂紋缺陷的檢測(cè)能力較強(qiáng)。兩種線圈對(duì)斜裂紋缺陷檢測(cè)的信號(hào)強(qiáng)度如圖10所示。圓弧、曲折線圈對(duì)應(yīng)的最大回波接收幅值約為0.45×10-22，0.11×10-22mm,信號(hào)幅值提高了近4倍。

圖9 點(diǎn)聚焦表面波EMAT和曲折線圈EMAT產(chǎn)生的 表面波對(duì)斜裂紋的相互作用聲場(chǎng)快照(時(shí)間為3.8×10-5 s)

圖10 點(diǎn)聚焦表面波EMAT和曲折線圈EMAT對(duì) 裂紋的檢測(cè)回波幅值對(duì)比

在圓盤(pán)表面設(shè)置相鄰間距均為3 mm的10匝線圈，分別選中圓弧角度為30°,60°,90°的圓弧施加作用力，奇數(shù)匝線圈施加正方向的單位長(zhǎng)度力，偶數(shù)匝施加反方向的單位長(zhǎng)度力，添加完美匹配層，圓盤(pán)側(cè)面及下表面設(shè)置為低反射邊界，劃分網(wǎng)格并進(jìn)行計(jì)算，然后對(duì)結(jié)果進(jìn)行后處理，取最外層線圈為接收線圈進(jìn)行力的線積分，得到線圈接收信號(hào)如圖11所示。

圖11 點(diǎn)聚焦表面波EMAT的線圈長(zhǎng)度對(duì) 超聲波信號(hào)的影響

由圖11可知，當(dāng)圓弧線圈角度逐漸增大即圓弧線圈長(zhǎng)度逐漸增加時(shí)，接收信號(hào)的幅值也逐漸增大，30°,60°,90°線圈對(duì)應(yīng)的最大幅值信號(hào)約為0.49×10-15，1.15×10-15，1.64×10-15mm。由此可見(jiàn)，增大圓弧線圈尺寸可以提高接收線圈的信號(hào)幅值。

針對(duì)不同線圈匝數(shù)對(duì)點(diǎn)聚焦EMAT缺陷回波信號(hào)接收的影響，在鋁圓盤(pán)上分別從外到內(nèi)依次選取4,8,10,14匝線圈進(jìn)行有限元計(jì)算，在圓心處設(shè)置φ8 mm大小的通透圓孔，得到線圈匝數(shù)對(duì)圓孔缺陷的超聲回波幅值的影響如圖12所示。

圖12 點(diǎn)聚焦表面波EMAT的線圈匝數(shù)對(duì) 圓孔反射波信號(hào)的影響

由圖12可知，線圈匝數(shù)越多，接收線圈接收到的信號(hào)強(qiáng)度越大且對(duì)應(yīng)的波包寬度也隨之增加。

2 點(diǎn)聚焦表面波EMAT檢測(cè)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)介紹

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了曲折線圈EMAT和點(diǎn)聚焦表面波EMAT，相鄰線圈間距均為3 mm,匝數(shù)為10匝，導(dǎo)線寬0.15 mm，其中，圓弧激勵(lì)線圈和接收線圈的圓弧角分別為20°,26°。探頭實(shí)物外觀如圖13所示，圖14為缺陷的電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，圖15為點(diǎn)聚焦表面波EMAT檢測(cè)界面信號(hào)示例。

圖13 點(diǎn)聚焦表面波EMAT探頭實(shí)物外觀

圖14 缺陷的電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)框圖

圖15 點(diǎn)聚焦表面波EMAT檢測(cè)界面信號(hào)示例

圖16 點(diǎn)聚焦表面波EMAT和曲折線圈EMAT檢測(cè) φ5 mm圓孔的A掃波形

2.2 點(diǎn)聚焦表面波EMAT與曲折線圈EMAT的對(duì)比試驗(yàn)

為了對(duì)比點(diǎn)聚焦表面波EMAT與曲折線圈EMAT對(duì)點(diǎn)缺陷的實(shí)際檢測(cè)能力，選用鋁薄板并對(duì)其φ5 mm的圓孔缺陷進(jìn)行檢測(cè)，得到圖16所示檢測(cè)結(jié)果。由圖16可知：點(diǎn)聚焦EMAT能夠接收到明顯的缺陷回波，而曲折線圈EMAT無(wú)法接收到明顯的缺陷回波。

2.3 點(diǎn)聚焦表面波EMAT聚焦聲場(chǎng)特性驗(yàn)證

接下來(lái)研究點(diǎn)聚焦EMAT缺陷檢測(cè)隨距離的變化規(guī)律。對(duì)一φ5 mm圓孔實(shí)施檢測(cè)，如圖17所示，將點(diǎn)聚焦表面波EMAT對(duì)準(zhǔn)缺陷并找到最大回波位置處，記錄下最大信號(hào)幅值，然后分別向靠近缺陷及遠(yuǎn)離缺陷的位置移動(dòng)，以探頭前沿到缺陷之間的距離為自變量，分別取1.5，3，4.2，6，9，12，15，18 mm這8個(gè)位置，記錄下各位置的缺陷回波對(duì)應(yīng)的最大幅值，利用Origin軟件進(jìn)行繪制，得出點(diǎn)聚焦EMAT檢測(cè)的缺陷回波幅值隨探頭位置變化的關(guān)系曲線，如圖18所示。

圖17 點(diǎn)聚焦表面波EMAT檢測(cè)示意

圖18 點(diǎn)聚焦EMAT檢測(cè)的缺陷回波幅值隨探頭位置 變化的關(guān)系曲線

由圖18可知，當(dāng)缺陷位置與探頭前沿距離約為4.2 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的缺陷回波幅值最大，缺陷波幅為6.30 mV。隨著兩者間距的增大或減小，缺陷回波幅值逐漸減小。

2.4 鋁板中圓孔的點(diǎn)聚焦表面波EMAT檢測(cè)試驗(yàn)

對(duì)鋁板上不同大小的圓孔進(jìn)行檢測(cè)，接收到的信號(hào)如圖19所示，其中波包A為電磁串?dāng)_信號(hào)，波包B為接收線圈接收到的激勵(lì)始波，波包C為缺陷回波，波包D為鋁板左端面回波。可見(jiàn)，隨著圓孔直徑的減小，接收線圈接收到的缺陷回波幅值逐漸減小，對(duì)于φ2.5 mm以上大小的圓孔均能較為明顯地檢測(cè)出來(lái)。

圖19 不同尺寸圓孔的點(diǎn)聚焦表面波EMAT檢測(cè) A掃信號(hào)對(duì)比

3 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)曲折線圈EMAT換能效率低且對(duì)點(diǎn)狀缺陷不易檢出的問(wèn)題，分析點(diǎn)聚焦表面波EMAT的聲場(chǎng)特性和影響因素，及其與圓孔、裂紋的聲場(chǎng)作用規(guī)律，并進(jìn)行了含圓孔的鋁板檢測(cè)試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

(1) 與傳統(tǒng)曲折線圈EMAT相比，點(diǎn)聚焦表面波EMAT具有良好的聚焦特性，表面波能夠聚焦于一點(diǎn)。

(2) 增加EMAT的線圈長(zhǎng)度和線圈匝數(shù)，有利于提高點(diǎn)聚焦表面波EMAT的換能效率。

(3) 相比于曲折線圈EMAT，點(diǎn)聚焦表面波EMAT能夠?qū)⑿盘?hào)幅值提高數(shù)倍，能檢測(cè)出曲折線圈EMAT無(wú)法檢測(cè)出的點(diǎn)狀缺陷。