基于電磁超聲共振的金屬環(huán)-含能材料界面脫粘缺陷檢測

周海強，劉天浩，裴翠祥

（1.中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽621999；2.西安交通大學 機械結構強度與振動國家重點實驗室，陜西 西安710049）

1 引言

金屬-含能材料粘接結構在航天和國防等重要工業(yè)領域應用廣泛。粘接作為連接材料或結構的常用工藝，擁有制作方便、連接應力分散等諸多優(yōu)點。但是，由于粘接層間界面脫粘而引發(fā)的各種災難事故時有發(fā)生，粘接結構的安全與質(zhì)量問題被人們廣泛關注。因此，粘接質(zhì)量的無損檢測和評價是國際上一個非常重要的研究領域和課題［1-3］。多種無損檢測方法已被研究并應用于粘接界面的檢測，如X 射線、CT 和超聲等。其中X 射線和CT 檢測可有效檢測出體積型缺陷，也可檢測出裂紋缺陷，具有空間分辨率高，結果直觀等優(yōu)點，在含能材料研究及其部件制造中一直發(fā)揮重要的作用。但X 射線和CT 檢測方法對測量條件要求較高，需要線源和探測器分別位于被測部件的兩側，此外射線對人體還存在輻射風險。與之相比，超聲檢測雖然在空間分辨率和結果直觀性方面存在不足，但對于界面分層缺陷，超聲檢測具有更高的靈敏度，且擁有設備簡單、成本低、靈活方便、效率高、對人體無害等優(yōu)點［4-6］。然而，常規(guī)超聲檢測技術主要采用接觸式壓電探頭，檢測時探頭與被測試件必須接觸且需要液體耦合劑，因此要求試件具有較好的表面狀態(tài)，保證檢測探頭與被測試件具有良好的聲學耦合，檢測時探頭與被測試件的接觸狀態(tài)對檢測結果有非常大的影響，不但嚴重影響測量結果的準確性和可靠性，還會限制其檢測效率［5，7-8］。

電磁超聲作為一種新興的無損檢測技術，依靠電磁感應直接在被測導體中激發(fā)和接收超聲波，具有非接觸、無需耦合、易實現(xiàn)大型構建快速自動化檢測等優(yōu)點。相關研究［9-10］表明，與傳統(tǒng)壓電超聲主要采用縱波檢測不同，電磁超聲可以非常容易地激發(fā)和接收對粘接界面狀態(tài)更加敏感的橫波。然而，與傳統(tǒng)壓電超聲相比，電磁超聲最大的缺點就是能量轉換率和信噪比較低。電磁超聲共振利用一定頻率的多周期正弦脈沖驅動探頭在試件激發(fā)多周期超聲脈沖序列，多周期超聲脈沖序列在試件上下表面往復反射，當相鄰回波信號相位差為周期的整數(shù)倍時發(fā)生超聲共振，信號幅值急劇增大。到目前為止，電磁超聲共振技術在金屬材料厚度檢測和材料特性評價等方面的研究取得了很好的效果［10］。基于電磁超聲共振技術，開發(fā)金屬環(huán)-含能材料粘接界面脫粘缺陷電磁超聲非接觸檢測方法，具有非常好的研究和應用前景［11］。

本研究針對小型金屬環(huán)-含能材料界面脫粘缺陷的無損檢測難題，提出了基于電磁超聲共振的界面脫粘缺陷增強型電磁超聲非接觸檢測方法和技術，開發(fā)了用于金屬環(huán)的專用小型電磁超聲傳感器和掃查裝置，進行了金屬環(huán)-含能材料界面脫粘缺陷電磁超聲共振自動掃查及成像實驗，探究了所開發(fā)檢測方法和技術對于金屬環(huán)-含能材料界面脫粘缺陷的檢測能力。

2 實驗研究

2.1 電磁超聲共振檢測原理

電磁超聲共振法的原理如圖1 所示，采用一定頻率f多周期正弦脈沖信號驅動電磁超聲探頭在試件表面激發(fā)持續(xù)一定時間的超聲脈沖序列p0（t），在試件上下表面間形成反復反射，各反射回波信號pi（t）發(fā)生部分重疊，當超聲激勵頻率設定為如式（1）計算值時，即相鄰回波信號之間Δt=2h/c=nT=n/f，各回波信號發(fā)生同相位疊加，形成超聲共振信號［12-13］。

式中，f為超聲激勵頻率，Hz；n為共振頻率階次；c為材料中超聲波波速，m·s-1；h為被檢構件厚度，m。電磁超聲共振法由于信號幅值及功率明顯較常規(guī)的短脈沖回波法強，因此具有非常高的信噪比。使用較小型的電磁超聲探頭也能獲得較好的檢測性能，可大幅度提高其空間分辨率。此外，還具有可用較低頻的信號檢測薄板結構，激勵的超聲剪切波對粘接界面敏感等優(yōu)點。

圖1 電磁超聲共振法基本原理圖Fig.1 Basic principle of the electromagnetic acoustic resonance（EMAR）method

基于電磁超聲共振法，本研究開發(fā)了針對脫粘缺陷的檢測方法。如圖2 所示，電磁超聲的激勵頻率為粘接試件金屬層的超聲共振頻率，即滿足式（1）。當電磁超聲探頭位于粘接完好區(qū)域上方時，電磁超聲探頭激發(fā)的超聲波大部分透過粘接界面?zhèn)髦聊z層和下層基底材料內(nèi)部，僅有少部分超聲波能量在金屬層底面反射，因此無法形成很強的超聲共振效應；而當超聲探頭位于脫粘區(qū)域時，電磁超聲激發(fā)的超聲波在金屬層下表面發(fā)生全反射（金屬層下表面滿足自由邊界條件），從而在金屬層上下表面形成很強的往復反射和超聲共振效應。因此根據(jù)檢測信號幅值和信號包絡能量大小可區(qū)分粘接完好區(qū)域與脫粘區(qū)域。

圖2 界面脫粘缺陷電磁超聲共振檢測方法Fig.2 Adhesive debonding inspection with EMAR method

2.2 信號分析方法

與傳統(tǒng)的脈沖回波信號不同，共振信號是一個持續(xù)時間較長的連續(xù)周期信號。因此，采用基于共振超聲信號功率譜分析的信號處理方法，進一步提高電磁超聲的信噪比和脫粘缺陷檢測能力。如式（2）所示，首先對超聲共振信號進行自相關分析：

式中，R（m）是超聲共振信號s（n）的自相關函數(shù)，n是信號的采樣點。使用自相關分析，隨機噪聲的干擾可以被顯著抑制，因為隨機噪聲的自相關函數(shù)除了在m=0 外，在各處均為0。然后，電磁超聲共振信號的功率譜密度（PSD）函數(shù)可以被定義為等式（3）。PSD 函數(shù)表示超聲波功率隨頻率變化的強度。與離散傅里葉變換（DFT）不同，離散傅里葉變換（DFT）顯示信號的頻譜含量（信號中諧波的幅度和相位），PSD 描述信號的功率在頻率上分布。

式中，P（f）為超聲共振信號的功率譜密度，f為頻率分量，Hz；W（m）為窗函數(shù)，Δt為采樣間隔，s。

2.3 實驗系統(tǒng)及試件

電磁超聲自動掃查檢測系統(tǒng)如圖3 所示，主要由檢測單元和掃查單元兩部分構成。檢測單元主要由RITEC RAM-5000 SNAP 電磁超聲檢測設備、專用小型EMAT 電磁超聲探頭、Tektronix DPO4104 數(shù)字示波器、帶通濾波器，阻抗匹配器和控制計算機組成。為實現(xiàn)小型金屬環(huán)-含能材料粘接試件的檢測，專用小型電磁超聲探頭線圈直徑僅為5 mm，與電磁超聲檢測設備連接，用于超聲波信號的激發(fā)和接收。數(shù)字示波器與電磁超聲檢測設備連接實現(xiàn)超聲信號的采集，為提高信號的信噪比，示波器采用16 次平均模式進行信號采集和顯示。掃查單元由旋轉電動掃查臺組，運動控制器和控制計算機組成。掃查單元中，采用電動旋轉臺夾持被檢試件旋轉，電磁超聲探頭固定在掃查臺支架上進行對被檢試件的周向掃查。電磁超聲探頭與試件的提離距離約為0.5 mm，電磁超聲探頭端部設有弧形槽，使探頭沿金屬環(huán)周向運動，防止發(fā)生偏心。

人工模擬脫粘缺陷試件如圖4 所示，由低碳鋼金屬環(huán)（圖4 中剖面線部分）和高聚物粘接炸藥（polymer bonded explosive，PBX）模擬材料圓柱通過環(huán)氧膠粘接而成。為模擬不同大小和不同形狀的脫粘缺陷，PBX 模擬材料圓柱上設計長度10 mm，寬度W分別為1.5，2.0，2.5，3.0，3.5 mm 的矩形通槽和直徑Φ分別為1.5，2.0，2.5，3.0，3.5 mm 的圓形通孔，相鄰兩槽或兩圓孔間隔60°。

圖3 金屬環(huán)-含能材料界面脫粘缺陷電磁超聲自動掃查實驗系統(tǒng)Fig.3 Experiment system of automatic electromagnetic acoustic testing for debonding inspection in the adhesive layer between metal ring and energy-containing material

圖4 金屬環(huán)-含能材料界面脫粘缺陷模擬試件Fig.4 Simulated specimens of interfacial debonding defects between metal rings and energetic materials

3 結果與討論

3.1 脫粘缺陷電磁超聲共振信號分析

根據(jù)實驗測試結果，選擇模擬試驗件第3 階超聲共振頻率2.8 MHz 為激勵頻率，脈沖信號持續(xù)時間10 μs，開展脫粘缺陷電磁超聲共振檢測工作。圖5 分別為在矩形脫粘缺陷試件中粘接完好區(qū)域和寬度W=1.5，2.0，3.0 mm 脫粘缺陷上方的電磁超聲共振信號；圖6 分別為在圓形脫粘缺陷試件中粘接完好區(qū)域和直徑Φ=1.5，3.0，3.5 mm 脫粘缺陷上方的電磁超聲共振信號。由圖5 和圖6 可以看出，當電磁超聲探頭位于粘接完好區(qū)域上方時，檢測信號幅值較小。當電磁超聲探頭位于脫粘區(qū)域上方時，檢測信號幅值明顯增大，出現(xiàn)更明顯的超聲共振現(xiàn)象，且隨著脫粘缺陷的增大而增大。因此，可以看出該檢測方法對于金屬環(huán)-含能材料界面脫粘缺陷具有很好的檢測效果，可以檢測出脫粘缺陷的存在，并一定程度上評價其大小。

3.2 脫粘缺陷電磁超聲共振B 掃成像

圖5 矩形脫粘試件不同位置對應的電磁超聲共振信號Fig.5 Measured electromagnetic acoustic resonance signals for specimen with rectangular debonding defects of different position

為了進一步驗證該檢測方法對于金屬環(huán)-含能材料界面脫粘缺陷的檢測能力，采用所開發(fā)的電磁超聲自動掃查和成像系統(tǒng)對模擬試件進行環(huán)形掃查和超聲B 掃成像。圖7 分別為矩形和圓形脫粘缺陷試件電磁超聲共振B 掃圖像。從圖7a 中可以明顯觀察到①～⑤五個位置處信號幅值（像素顏色）明顯較強，分別為W=3.5，3.0，2.5，2.0 mm 和1.5 mm 脫粘缺陷B 掃成像。從圖7b 中可以明顯觀察到①②③三個位置處信號幅值明顯較強，分別為Φ=3.5，3 mm 和2.5 mm 脫粘缺陷B 掃成像。而Φ=2.0 mm 和Φ=1.5 mm 兩較小脫粘缺陷卻無法看到，是因為脫粘缺陷面積太小，已超出探頭的檢測靈敏度。

3.3 脫粘缺陷電磁超聲共振功率譜成像

從兩電磁超聲B 掃圖可以看出，圖中7 部分超聲背景信號分布并不均勻，這給缺陷的識別造成一定的困難。為克服這一問題，根據(jù)圖5 和圖6 可以看出當脫粘缺陷存在時，電磁超聲共振信號衰減變小，持續(xù)時間更長，因此可選擇時間靠后的信號進行分析。為更好對缺陷進行識別，提高缺陷信號的成像質(zhì)量，降低因金屬環(huán)本身材質(zhì)導致的超聲共振信號變化的影響，截取圖7 中黃色虛線框內(nèi)時間段的時域信號，通過功率譜（PSD）變換將時域信號轉為頻域信號，生成的頻域B 型顯示圖如圖8 所示。圖8a 中可很清楚地觀察到五個脫粘區(qū)域在共振激勵頻率出現(xiàn)功率譜峰值區(qū)域，圖8b 中可很清楚地觀察到三個脫粘區(qū)域在共振激勵頻率出現(xiàn)功率譜峰值區(qū)域，而其他背景區(qū)域均無明顯的噪聲存在。由圖8 可見，通過進行功率譜分析處理后，有效抑制背景信號和其他噪聲的影響，缺陷成像質(zhì)量大幅度提高，具有更高的缺陷可識別性。

圖6 圓形脫粘試件不同位置對應的電磁超聲共振信號Fig.6 Measured electromagnetic acoustic resonance signals for specimen with circular debonding defects of different position

圖7 金屬環(huán)-含能材料試件環(huán)形掃查電磁超聲共振時域信號B掃圖Fig.7 B-scan images of electromagnetic acoustic resonance time-history signal with rotating scanning of the metal ring /energy-containing material specimen

圖8 金屬環(huán)-含能材料試件環(huán)形掃查電磁超聲共振功率譜密度B掃圖Fig. 8 B-scan images of electromagnetic acoustic resonance PSD with rotating scanning of the metal ring / energy-containing material specimen

4 電磁超聲共振脫粘缺陷檢測能力分析

圖9 為提取圖8 中提取功率譜峰值得到其分布曲線。從圖9 可以看出，隨著缺陷尺寸的減小，功率譜峰值總體分布上也存在下降趨勢，但存在較大的誤差，如圖9 中①號缺陷位置對應功率譜密度峰值應大于②號缺陷位置功率峰幅值，③號缺陷位置功率譜密度峰值應該大于④號缺陷位置功率譜幅值，但受到金屬環(huán)材質(zhì)（磁化系數(shù)）不均的影響，實際測量結果卻與之相反，這給缺陷尺寸定量帶來一定困難。

圖9 環(huán)形掃查電磁超聲共振信號PSD 峰值分布曲線Fig.9 PSD peak distribution curve of electromagnetic acoustic resonance signal by circular scanning

通過上述結果可以看出，由于金屬環(huán)-含能材料試件中脫粘缺陷的尺寸遠小于檢測所采用探頭的尺寸，超出了探頭的分辨極限，因此很難從B 掃圖中準確獲得缺陷的尺寸和形狀信息。為進一步說明該方法對于缺陷的分辨能力，在此借用前期針對平板粘接試件的檢測結果進行分析。圖10 為一金屬-有機玻璃平板粘接試件電磁超聲共振C 掃檢測結果［11］，從中可以看出對于直徑2 mm 和3 mm 的圓形脫粘缺陷，其所對應缺陷成像尺寸與實際尺寸相差較大，而接近探頭的尺寸（直徑5 mm）或更大尺寸的缺陷，其成像結果則與實際尺寸相近，且能分辨缺陷的形狀。因此該方法對于缺陷的分辨能力主要受所采用檢測探頭的尺寸限制，要提高對小缺陷的形狀和尺寸的分辨能力，需要進一步研究和開發(fā)更小尺寸的電磁超聲探頭，或者開發(fā)聚焦型探頭。

圖10 金屬-有機玻璃平板粘接試件電磁超聲共振C 掃檢測結果Fig.10 C-scan image of PSD peak of electromagnetic acoustic resonance signal in metal-plexiglass bonding specimen

5 結論

（1）基于電磁超聲共振的金屬環(huán)-含能材料界面脫粘缺陷檢測方法，開發(fā)了用于金屬環(huán)-含能材料粘接試件界面脫粘缺陷檢測專用的小型電磁超聲探頭，搭建了電磁超聲自動掃查和成像系統(tǒng)，實現(xiàn)了金屬環(huán)-含能材料界面脫粘缺陷模擬試件的自動掃描和超聲B 掃成像，開發(fā)了基于功率譜分析的電磁超聲共振信號處理方法。

（2）實驗測量結果表明電磁超聲共振檢測方法對于金屬環(huán)-含能材料界面脫粘缺陷具有很好的檢測靈敏度，可以實現(xiàn)寬度1.5 mm 以上的矩形脫粘缺陷和直徑2.5 mm 以上的圓形脫粘缺陷檢測和B 掃成像。

（3）鐵磁性金屬環(huán)由于加工等因素造成的材質(zhì)不均對電磁超聲信號的穩(wěn)定性有較大的影響，通過采用基于功率譜分析的電磁超聲共振信號處理方法能夠有效抑制這一影響，處理后的圖像能大幅度提高了對缺陷的識別能力和缺陷的成像質(zhì)量。但由于金屬環(huán)材質(zhì)不均造成的電磁超聲信號不穩(wěn)定和電磁超聲傳感器相對于缺陷尺寸仍然比較大等因素的存在，缺陷的精確定量評價還存在一定的難度，需要后續(xù)進一步對探頭和信號處理方法進行優(yōu)化。