EMAT周向Lamb波單向管道缺陷的檢測(cè)方法

沈顯慶， 楊 瑩， 馬志鵬， 王 賀， 張 恒

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

0 引 言

電磁超聲換能器(EMAT)是以電磁耦合方式在試件中直接產(chǎn)生超聲波，管道中可以傳導(dǎo)沿管道平行方向的軸向?qū)Рê脱毓艿缊A周表面?zhèn)鞑サ闹芟驅(qū)Рǎ芟驅(qū)Рò凑諏?dǎo)波類型又分為周向SH波和周向Lamb波兩種[1-2]。King等[3]在研究鋁管振動(dòng)波時(shí)證實(shí)管道中存在周向Lamb波。Qu等[4]指出了Lamb波的頻散特性與頻散曲線。Chen等[5]使用周向Lamb波檢測(cè)了管道中的缺陷?？道诘萚6]通過(guò)改變磁鐵和線圈分布,優(yōu)化了EMAT的性能。劉素貞等[7]仿真分析了周向Lamb波的響應(yīng)特性，以及缺陷形狀和深度對(duì)回波的影響。傳統(tǒng)電磁超聲換能器發(fā)射方向多，使對(duì)稱結(jié)構(gòu)下的管道缺陷處兩端同時(shí)發(fā)生反射，從而缺陷處回波信號(hào)復(fù)雜且不能保證缺陷與采集到的回波信號(hào)一一對(duì)應(yīng)的問(wèn)題[8-11]。針對(duì)上述問(wèn)題，筆者在建立單方向EMAT的有限元模型，仿真周向 Lamb 波傳播過(guò)程，研究單一缺陷下缺陷的位置在EMAT作用下的反射回波，以期給出基于EMAT周向Lamb波單方向的管道缺陷檢測(cè)方法。

1 EMAT的設(shè)計(jì)與模型

1.1 雙線圈組激勵(lì)的EMAT

文中設(shè)計(jì)的EMAT在傳統(tǒng)的回折線圈的基礎(chǔ)上添加了一組輔助線圈，雙線圈組激勵(lì)的EMAT如圖1所示。

圖1 雙線圈組激勵(lì)EMATFig. 1 Double coil group excitation EMAT

由圖1可見(jiàn)，在傳統(tǒng)的回折形線圈的基礎(chǔ)上，線圈添加了一組與其相同且平行于其輔助線圈，組成了單向Lamb波EMAT。其中，線圈組1為輔助線圈，線圈組2為主線圈永磁體在線圈附近提供水平磁場(chǎng)，A、B為線圈下的兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)。假設(shè)超聲波的波長(zhǎng)為λ，則單一的回折線圈的回折間距為d=λ/2，其與相鄰的輔助線圈之間的間距為d/2=λ/4。主線圈2中電流激勵(lì)時(shí)間延遲輔助線圈1中激勵(lì)電流時(shí)間T/4。因此，向主線圈通入高頻電流I(t),頻率為f,則需要向輔助線圈組1通入超前1/4個(gè)周期的高頻電流I(t+T/4),T=1/f。延遲通入激勵(lì)電流會(huì)使振動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)振動(dòng)差，一個(gè)周期內(nèi)的兩線圈延遲時(shí)間差分別為T/4、T/2、3T/4和T時(shí)，質(zhì)點(diǎn)隨時(shí)間振動(dòng)位移波形，如圖2所示。

圖2 A、B兩點(diǎn)隨時(shí)間振動(dòng)位移波形Fig. 2 Waveforms of vibration displacement with time at two points A and B

當(dāng)頻率和振動(dòng)方向相同、相位差恒定的波相遇時(shí)，其合成的波場(chǎng)中的振動(dòng)由于惠更斯疊加原理一部分振動(dòng)位移增強(qiáng)，另一部分振動(dòng)位移減弱。單向傳播Lamb波激發(fā)原理如圖3a所示。

在輔助線圈1和主線圈2中通入頻率和幅值相同、相位差為90°的高頻脈沖電流。理想狀態(tài)下，在t=nT時(shí)刻，輔助線圈下的質(zhì)點(diǎn)A開(kāi)始產(chǎn)生超聲波；在t=nT+T/4時(shí)刻，主線圈下的質(zhì)點(diǎn)B開(kāi)始產(chǎn)生超聲波，與已經(jīng)傳播了λ/4的輔助線圈下的質(zhì)點(diǎn)A共同作用。線圈右側(cè)質(zhì)點(diǎn)合位移疊加為原來(lái)的2倍，左側(cè)質(zhì)點(diǎn)合位移減弱至零。

一個(gè)周期內(nèi)兩質(zhì)點(diǎn)A、B的振動(dòng)情況如圖3b所示。在經(jīng)過(guò)T/4后向右傳播的超聲Lamb波質(zhì)點(diǎn)B由兩線圈產(chǎn)生超聲波疊加增強(qiáng)，質(zhì)點(diǎn)A由兩線圈產(chǎn)生超聲波抵消減弱。因此，可以通過(guò)改變兩線圈的電流相位來(lái)控制聲波主能量的傳播方向，進(jìn)而利用增強(qiáng)側(cè)的高幅值聲波檢測(cè)微小缺陷。

圖3 單向EMAT原理Fig. 3 Principle of one-way EMAT

1.2 周向Lamb波仿真模型

周向Lamb波二維仿真模型如圖4所示。鋁管上方放置蹄形磁鐵產(chǎn)生水平磁場(chǎng)與激勵(lì)線圈組成的EMAT在鋁管上激發(fā)周向Lamb波。仿真中鋁管外半徑為50 mm，內(nèi)半徑為49 mm，主、輔助線圈截面半徑為0.2 mm，兩個(gè)線圈的匝數(shù)均為4，外加環(huán)境空氣域，設(shè)置低反射邊界防止反射回波對(duì)采集信號(hào)造成的影響。

圖4 周向Lamb波二維仿真模型示意Fig. 4 Schematic of circumferential Lamb wave two-dimensional simulation model

由于鋁管的內(nèi)外半徑之比為98%，可以近似將其視為一個(gè)平面，利用EMAT在平面鋁板上獲得的結(jié)論應(yīng)用到鋁管上，由此，可以得到周向Lamb波的相速度和群速度頻散曲線。周向lamb波的頻散曲線如圖5所示。由圖5可知，類Lamb波存在多模態(tài)，低頻率時(shí)，至少存在兩種模式的類Lamb波，且隨著激勵(lì)頻率的增大，類Lamb波呈多模態(tài)。

圖5 周向Lamb波的頻散曲線Fig. 5 Frequency dispersion plot of a circumferential Lamb wave

由圖5可以看出，管道中存在多種模式的導(dǎo)波。隨著Lamb波傳播過(guò)程中群速度變化率的增大，頻散現(xiàn)象越明顯。為盡量避免多模態(tài)的類Lamb波導(dǎo)致研究?jī)?nèi)容變復(fù)雜，選用激勵(lì)頻率為1 MHz的CLamb 0為主模態(tài)。輔助線圈和主線圈通入的激勵(lì)電流信號(hào)均為高斯窗調(diào)制的正弦脈沖。

主線圈電流控制方程為

i(t)=βe-α(t-τ)2cos[2πf(t-τ)]。

(1)

輔助線圈電流控制方程為

i(t+π/4)=βe-α(t+π/4-τ)2cos[2πf(t+π/4-τ)]，

(2)

式中：β——激勵(lì)電流幅值；

α——帶寬系數(shù)；

τ——與波形對(duì)稱軸有關(guān)常數(shù)；

f——脈沖中心頻率。

2 單向Lamb波聲場(chǎng)的仿真

建立管道EMAT單向Lamb波的二維平面模型圖，以模型中管道圓的圓心為坐標(biāo)軸的(0,0)點(diǎn)，建立平面直角坐標(biāo)系進(jìn)行輔助分析，在坐標(biāo)(0,50)的位置上，放置單向EMAT令其為M點(diǎn)，分析坐標(biāo)(49.5,0)點(diǎn)的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，令其為N點(diǎn)，單方向周向Lamb波模型示意如圖6所示。

圖6 單方向周向Lamb波模型示意Fig. 6 Schematic of single-direction circumferential Lamb wave model

利用設(shè)計(jì)的單向Lamb波EMAT模型，傳統(tǒng)的EMAT模型仿真可以通過(guò)僅向主線圈通入高頻激勵(lì)電流實(shí)現(xiàn)。而單方向周向Lamb波EMAT模型仿真需要先向輔助線圈通入高頻激勵(lì)電流，T/4個(gè)周期后向主線圈通入同樣頻率幅值的激勵(lì)電流即可。圖7a、b為傳統(tǒng)EMAT和單方向EMAT時(shí)，N處的徑向振動(dòng)位移。

圖7 N點(diǎn)CLamb 0的徑向位移波形Fig. 7 Radial displacement waveform of Clamb 0 at N point

由于管道的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在檢測(cè)時(shí)，會(huì)同時(shí)向順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较騻鬟f波包，因此，N點(diǎn)會(huì)在接受到順時(shí)針波包的半個(gè)周期后接收到逆時(shí)針的波包，由圖8可知，傳統(tǒng)的EMAT會(huì)得到振幅相同的兩個(gè)波包，而單方向的EMAT增強(qiáng)了順時(shí)針CLamb 0波，削弱了逆時(shí)針CLamb 0波。經(jīng)過(guò)峰值對(duì)比可以得到，增強(qiáng)倍數(shù)為2.16倍，削弱的倍數(shù)為0.32倍。

3 鋁管缺陷的定位檢測(cè)

3.1 兩次檢測(cè)的缺陷定位方法

鋁管上缺陷位置如圖8所示。將單方向周向Lamb波EMAT放置在圖8中M(0,50)的位置，分析點(diǎn)N位置的徑向振動(dòng)位移。

圖8 鋁管上缺陷位置Fig. 8 Defect location on aluminum tube

由圖8可見(jiàn)，等分為四個(gè)域，將缺陷b放置在深色區(qū)域，缺陷a放置剩下的3/4空白區(qū)域時(shí)缺陷的位置關(guān)系為，當(dāng)270°<α<0°時(shí)

(3)

當(dāng)0°<α<90°時(shí)

(4)

式中：t1——周向Lamb波到達(dá)質(zhì)點(diǎn)處的時(shí)間；

t2——缺陷反射的回波到達(dá)處的時(shí)間；

r——管道半徑；

α——缺陷a到質(zhì)點(diǎn)N處的圓心角角度；

β——缺陷b到EMAT的圓心角角度；

v——Lamb波的群速度。

由式(3)、(4)可得，2α+180°=β，表明此時(shí)缺陷a和缺陷b的反射回波同時(shí)到達(dá)N點(diǎn)。為克服該問(wèn)題，采用一種經(jīng)過(guò)兩次檢測(cè)的方法，如圖9所示。換能器在M位置第一次測(cè)量空白域缺陷后將其調(diào)轉(zhuǎn)至P再次測(cè)量。每次測(cè)量范圍為270°，經(jīng)過(guò)兩次測(cè)量能保證周向檢測(cè)全覆蓋。

圖9 缺陷定位方法Fig. 9 Defect localization method

3.2 缺陷定位的檢測(cè)

EMAT模型各缺陷分布如圖10所示。對(duì)(35.35，-35.35)、(-35.35，-35.35)、(-35.35，35.35)處形狀為0.5 mm×0.2 mm的矩形缺陷在兩種EMAT的作用下仿真N點(diǎn)徑向振動(dòng)位移。

圖10 EMAT 模型各缺陷分布示意Fig. 10 Distribution of defects in EMAT model

兩次缺陷檢測(cè)相同，因此，僅研究一次缺陷檢測(cè)過(guò)程，缺陷位置的設(shè)置可以很好反映檢測(cè)過(guò)程。各缺陷在傳統(tǒng)ETMA周向Lamb模型中質(zhì)點(diǎn)N的徑向振動(dòng)位移如圖11所示。圖中，CLamb 0表示順時(shí)針傳播的波包，aCLamb 0表示逆時(shí)針傳播的波包，R0表示順時(shí)針缺陷回波，aR0表示逆時(shí)針缺陷回波。

各缺陷在單方向ETMA周向Lamb模型中質(zhì)點(diǎn)N的徑向振動(dòng)位移如圖12所示。對(duì)比分析三個(gè)缺陷位置在傳統(tǒng)EMAT和單向EMAT下的質(zhì)點(diǎn)徑向位移波形，由圖12可以明顯看出，單向EMAT在檢測(cè)缺陷時(shí)可以放大順時(shí)針傳播的波包和缺陷回波，放大后的波包和缺陷回波的波形幅值平均為傳統(tǒng)EMAT缺陷檢測(cè)回波波形的2.14倍。

圖11 各缺陷在傳統(tǒng)ETMA周向Lamb模型中的回波Fig. 11 Echo of defects in traditional ETMA circumferential Lamb model

圖12 各缺陷單方向ETMA周向Lamb模型中的回波Fig. 12 Echo in circumferential Lamb model of unidirectional ETMA for each defect

單向EMAT在檢測(cè)缺陷時(shí)抑制逆時(shí)針傳播的波包和逆時(shí)針缺陷回波，抑制后的波包和缺陷回波的波形幅值平均為傳統(tǒng)EMAT缺陷檢測(cè)回波波形的0.37倍。對(duì)比結(jié)果表明，管道在單方向ETMA周向Lamb模型下的缺陷檢測(cè)結(jié)果要優(yōu)于傳統(tǒng)模型。

4 結(jié) 論

(1)利用惠更斯疊加原理，設(shè)計(jì)了一種由雙線圈組激勵(lì)的單方向EMAT，使用單方向EMAT周向Lamb波和兩次檢測(cè)缺陷定位相結(jié)合的方法檢測(cè)管道缺陷，克服了傳統(tǒng)EMAT對(duì)于管道對(duì)稱結(jié)構(gòu)和電磁超聲換能器的多向?qū)Рㄌ匦詫?dǎo)致的回波信號(hào)復(fù)雜的問(wèn)題。

(2)對(duì)提出的單向EMAT周向Lamb波檢測(cè)方法建立了有限元模型，仿真表明，單向EMAT相比于傳統(tǒng)的EMAT在缺陷處放大了順時(shí)針波包和缺陷回波，同時(shí)，還抑制了逆時(shí)針波包和缺陷回波，使被檢測(cè)的缺陷信號(hào)易于提取和分析，驗(yàn)證了單向EMAT周向Lamb波檢測(cè)管道缺陷的合理性和可行性。