線圈結(jié)構(gòu)對(duì)EMAR測(cè)量衰減系數(shù)的影響

鄧超然,楊潤(rùn)杰,王冬梅,翟國(guó)富

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電器與電子可靠性研究所，黑龍江哈爾濱 150001；2.哈爾濱國(guó)鐵科技集團(tuán)股份有限公司，黑龍江哈爾濱 150001)

0 引言

金屬構(gòu)件在使用過程中，會(huì)不可避免的出現(xiàn)微損傷等現(xiàn)象，這些微損傷如果持續(xù)發(fā)展，會(huì)嚴(yán)重影響構(gòu)件的性能，從而影響整體結(jié)構(gòu)的可靠性。因此，需要對(duì)金屬構(gòu)件的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。超聲作為常規(guī)的無損檢測(cè)方式之一，在試件厚度、宏觀傷損檢測(cè)方面得到了廣泛應(yīng)用。隨著超聲非線性、諧振態(tài)等新型檢測(cè)方法的深入研究，超聲檢測(cè)技術(shù)也在金屬材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢測(cè)與評(píng)估[1-4]、復(fù)合材料的孔隙率檢測(cè)[5-7]等領(lǐng)域得到應(yīng)用。聲衰減系數(shù)與試件的高階彈性系數(shù)有較強(qiáng)的相關(guān)性[8-9]，而試件早期損傷往往會(huì)引起自身高階彈性常數(shù)的變化。對(duì)于復(fù)合材料而言，孔隙率會(huì)影響到材料的實(shí)際性能。空隙會(huì)造成超聲的散射衰減，從而影響試件的聲衰減系數(shù)。因此，聲衰減系數(shù)的測(cè)量對(duì)評(píng)估試件狀態(tài)有重要意義。

傳統(tǒng)的聲衰減方法主要是通過測(cè)量2次回波之間幅值衰減。但是這種方法并沒有考慮到試件中可能出現(xiàn)的橫縱波轉(zhuǎn)換問題，而且在實(shí)際測(cè)量過程中，可能出現(xiàn)第2個(gè)回波比第1個(gè)回波幅值更大的現(xiàn)象[10]，需要結(jié)合其他方式得到聲衰減系數(shù)。電磁超聲諧振技術(shù) (EMAR) 可以在一定程度上避免這個(gè)問題。在諧振點(diǎn)處，同一位置處的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)處于相位高度相同的狀態(tài)，其聲場(chǎng)衰減情況類似于自由振動(dòng)衰減，測(cè)得的聲衰減系數(shù)會(huì)更加真實(shí)[11]。

現(xiàn)有研究主要集中在數(shù)據(jù)的解讀上，對(duì)EMAR所采用的換能器結(jié)構(gòu)以及不同結(jié)構(gòu)換能器的聲場(chǎng)特性和對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響研究較少。由于超聲檢測(cè)本身是研究試件與聲場(chǎng)的交互作用而且EMAR本身屬于高靈敏度的檢測(cè)方式，對(duì)聲場(chǎng)更為敏感，因此聲場(chǎng)的特性對(duì)測(cè)量結(jié)果應(yīng)有重要影響。

本文擬通過仿真分析不同的換能器線圈結(jié)構(gòu)激勵(lì)出的聲場(chǎng)區(qū)別，推測(cè)其可能對(duì)衰減系數(shù)測(cè)量的影響。在此基礎(chǔ)上，分析不同形式線圈結(jié)構(gòu)組合對(duì)衰減系數(shù)測(cè)量結(jié)果的影響，最終得到具有普遍適用性的一種線圈結(jié)構(gòu)類型。

1 體波換能器聲場(chǎng)分析

目前體波換能器的聲場(chǎng)分布特性研究方法主要采用有限元仿真分析的手段，因此本文采用COMSOL軟件對(duì)不同換能器結(jié)構(gòu)的聲場(chǎng)進(jìn)行分析。

EMAR目前使用的換能器結(jié)構(gòu)與常規(guī)的體波換能器結(jié)構(gòu)基本一致。因此本文在進(jìn)行研究時(shí)，重點(diǎn)參考現(xiàn)有體波換能器的結(jié)構(gòu)。換能器采用發(fā)射接收分離配置，同時(shí)，為了避免發(fā)射接收換能器之間的干擾，將換能器配置在試件兩端。本文建立的仿真模型如圖1所示。

圖1 仿真模型示意圖

在仿真實(shí)驗(yàn)中，將試件厚度設(shè)置為4 mm，橫波波速為3 200 m/s，縱波波速為6 000 m/s。根據(jù)諧振點(diǎn)計(jì)算公式，可以得到試件的橫波諧振點(diǎn)間隔為400 kHz，縱波諧振點(diǎn)為750 kHz。仿真選定的諧振頻率為3 200 kHz，僅滿足橫波的諧振條件，可以避免可能激勵(lì)出的縱波對(duì)結(jié)果的影響。激勵(lì)時(shí)間選擇為20 μs，完全可以滿足發(fā)射信號(hào)與反射回波疊加。

在仿真時(shí)，需要充分考慮多種線圈的區(qū)別，因此在進(jìn)行仿真時(shí)，考慮了盡量多的線圈類型。由蝶形線圈激勵(lì)出的聲場(chǎng)偏振方向更加復(fù)雜，在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)會(huì)引入材料的各向異性等因素，并不十分適用于衰減系數(shù)測(cè)量的場(chǎng)合。因此，本文在仿真時(shí)重點(diǎn)考慮蝶形線圈和單導(dǎo)線線圈。

仿真得到的蝶形線圈和單導(dǎo)線線圈的聲場(chǎng)分布云圖如圖2所示。從圖2可以看出，蝶形線圈激勵(lì)出的聲場(chǎng)在線圈中間的區(qū)域較為平整，但是在線圈兩端存在一些弧形的振動(dòng)，而且在兩端的聲場(chǎng)強(qiáng)度均勻性顯著下降。說明中心強(qiáng)度比兩端的強(qiáng)度要強(qiáng)。如果僅考慮聲場(chǎng)的情況，那么對(duì)于這種聲場(chǎng)而言，兩端和中心區(qū)域測(cè)出來的衰減系數(shù)可能會(huì)略有區(qū)別。同理，對(duì)于單導(dǎo)線而言，其聲場(chǎng)更像是一個(gè)弧面，其中心區(qū)域測(cè)的聲場(chǎng)強(qiáng)度可能更符合實(shí)際的衰減情況。聲軸線上的衰減系數(shù)測(cè)量結(jié)果應(yīng)該較為真實(shí)，聲軸線以外的衰減系數(shù)測(cè)量結(jié)果可能存在較大的差別。

(a)單導(dǎo)線激勵(lì)聲場(chǎng)云圖

2 不同形式線圈對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

根據(jù)前文可知，蝶形線圈和單導(dǎo)線線圈在線圈的正下方聲場(chǎng)均可以呈現(xiàn)出較為平整的分布，但是兩者的聲場(chǎng)仍略有不同。本文在分析發(fā)射接收線圈形式時(shí)，將發(fā)射接收線圈分別設(shè)置為單導(dǎo)線線圈、蝶形線圈，共有4種組合形式，在建模時(shí)保證發(fā)射接收線圈的中心線對(duì)齊。

選擇接收線圈中的電流密度作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。由于激勵(lì)時(shí)間較長(zhǎng)，可以看到圖3中回波呈現(xiàn)出明顯的疊加效果，幅值也隨著時(shí)間而逐漸衰減。滿足衰減系數(shù)的測(cè)量要求?？紤]4種情況下的信號(hào)分布特性，選取30 μs時(shí)的幅值作為歸一化的基準(zhǔn)點(diǎn)，求取接收信號(hào)的有效值包絡(luò)并進(jìn)行歸一化處理。處理后的結(jié)果如圖4所示。

由圖3、圖4可以看出，仿真得到的幅值衰減曲線存在一些微弱的區(qū)別，主要表現(xiàn)為幅值衰減的幅度存在微弱區(qū)別。對(duì)其進(jìn)行曲線擬合，得到的幅值衰減系數(shù)解析式如表1所示。

(a)發(fā)射接收線圈均采用單導(dǎo)線

圖4 歸一化后的回波信號(hào)有效值包絡(luò)

由表1可以看出，4種配置形式中，蝶形線圈發(fā)射蝶形線圈接收的形式產(chǎn)生的偏差相對(duì)較大，推測(cè)是發(fā)射接收線圈結(jié)構(gòu)以及放置的相對(duì)位置引起的。而且，從結(jié)果中可以看出，線圈帶來的影響大概在20%左右，而且采用單導(dǎo)線的組合形式結(jié)果較為接近，說明利用發(fā)射接收均采用蝶形線圈結(jié)構(gòu)帶來的影響很大，有必要對(duì)蝶形線圈的聲場(chǎng)特征進(jìn)行進(jìn)一步研究。

表1 測(cè)量得到的衰減系數(shù)

3 線圈組合結(jié)果的區(qū)別研究

根據(jù)前文的結(jié)果，如果測(cè)量衰減系數(shù)時(shí)，僅采用蝶形線圈組成的發(fā)射接收線圈，則得到的衰減系數(shù)與其他3種形式存在很大的偏差。結(jié)合圖2中的聲場(chǎng)仿真結(jié)果，蝶形線圈和單導(dǎo)線線圈激勵(lì)出的聲場(chǎng)存在一定的不同，因此推斷造成上述現(xiàn)象的原因是聲場(chǎng)存在較大的不同。

根據(jù)表1中測(cè)得的聲衰減系數(shù)，無論是蝶形線圈發(fā)射單導(dǎo)線線圈接收還是單導(dǎo)線發(fā)射蝶形線圈接收，其聲衰減系數(shù)偏差很小，可以認(rèn)為蝶形線圈和單導(dǎo)線線圈在聲軸線上的聲場(chǎng)情況較為接近，那么主要的區(qū)別應(yīng)該在于蝶形線圈在非聲軸線上的聲場(chǎng)衰減情況與單導(dǎo)線激勵(lì)出的聲場(chǎng)存在很大的區(qū)別。

為了研究上述猜想的正確性，本文在前文的蝶形發(fā)射單導(dǎo)線接收以及單導(dǎo)線發(fā)射單導(dǎo)線接收模型的基礎(chǔ)上，測(cè)量試件對(duì)面距離聲軸線有一定位移偏差的點(diǎn)的振動(dòng)速度，并求解各測(cè)量點(diǎn)的衰減系數(shù)。將2種情況下的聲軸線處的衰減系數(shù)作為2種情況下的歸一化標(biāo)準(zhǔn)值，得到2種情況下的聲衰減系數(shù)隨測(cè)量點(diǎn)的位移變化曲線見圖5。

圖5 不同位置測(cè)得的衰減系數(shù)

由圖5可以看出，單導(dǎo)線發(fā)射與蝶形線圈發(fā)射的聲場(chǎng)的衰減系數(shù)變化趨勢(shì)存在較為明顯的不同，其中蝶形線圈的衰減系數(shù)變小趨勢(shì)更加明顯，可以認(rèn)為蝶形線圈作為激勵(lì)線圈的情況下，離發(fā)射線圈較遠(yuǎn)處的聲場(chǎng)衰減程度較慢。單導(dǎo)線也有類似現(xiàn)象，但是整體的衰減程度更為一致，回波信號(hào)衰減程度更為一致。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述觀點(diǎn)的可行性，本文利用RITEC5000設(shè)計(jì)了如圖6所示的實(shí)驗(yàn)。由于實(shí)際使用過程中往往只能在試件單面放置線圈，本文在設(shè)計(jì)換能器放置方式時(shí)，也采用單面放置的方式，考慮到本技術(shù)需要進(jìn)行掃頻，在實(shí)驗(yàn)時(shí)并沒有進(jìn)行調(diào)諧。在線圈結(jié)構(gòu)上，選擇單導(dǎo)線接收蝶形線圈發(fā)射、蝶形接收單導(dǎo)線發(fā)射以及發(fā)射接收均為蝶形線圈3種結(jié)構(gòu)形式。

圖6 實(shí)驗(yàn)示意圖

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的諧振譜如圖7所示，從諧振峰的測(cè)量結(jié)果來看，選擇了2.5～3 MHz之間的諧振點(diǎn)作為衰減系數(shù)測(cè)量頻率點(diǎn)。測(cè)得的時(shí)域衰減曲線如圖8所示。圖8中2個(gè)頻段下的衰減系數(shù)均體現(xiàn)出一些與仿真結(jié)果相似的結(jié)論。在發(fā)射接收線圈中采用單導(dǎo)線形式的線圈的2種線圈組合形式在衰減系數(shù)的測(cè)量結(jié)果上較為接近。

圖7 3種線圈組合形式測(cè)得的諧振譜

(a)2.524 MHz時(shí)的衰減曲線

但是蝶形發(fā)射接收線圈測(cè)得的衰減系數(shù)變化情況與仿真結(jié)果的變化趨勢(shì)相反，即測(cè)得的衰減系數(shù)比蝶形發(fā)射單導(dǎo)線接收以及單導(dǎo)線發(fā)射蝶形接收2種形式更大。本文認(rèn)為有如下原因：

(1)實(shí)驗(yàn)時(shí)采用的線圈參數(shù)與仿真所設(shè)置的參數(shù)并不完全相同，其提離距離等參數(shù)存在影響；

(2)實(shí)驗(yàn)中采用的試件參數(shù)與仿真不完全一致，試件內(nèi)部可能存在不均勻性，從而使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果出現(xiàn)明顯的區(qū)別；

(3)實(shí)驗(yàn)時(shí)所采用的發(fā)射接收線圈的放置方式為試件單側(cè)放置，而仿真時(shí)采用的是發(fā)射接收線圈分置試件兩側(cè)，而且實(shí)驗(yàn)時(shí)僅采用了單一永磁體，可能是由于配置不同帶來的影響。

5 結(jié)束語(yǔ)

利用EMAR方法測(cè)量超聲信號(hào)的衰減系數(shù)時(shí)，需要考慮換能器所采用的線圈結(jié)構(gòu)，不同線圈結(jié)構(gòu)帶來的測(cè)量結(jié)果存在一定的偏差。其中，采用蝶形線圈發(fā)射接收會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大誤差，從而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在進(jìn)一步的研究中發(fā)現(xiàn)，激勵(lì)線圈的形式對(duì)試件中的聲場(chǎng)影響十分顯著，蝶形線圈激勵(lì)出的聲場(chǎng)在試件中由于多導(dǎo)線激勵(lì)的聲場(chǎng)疊加效果，其衰減系數(shù)低了很多，可能是由于蝶形線圈在激勵(lì)過程出現(xiàn)了橫縱波轉(zhuǎn)換的情況，而且不同位置處的發(fā)射線圈在接收線圈處的聲場(chǎng)疊加存在延時(shí)，在滿足一定條件下，使得整體聲場(chǎng)的強(qiáng)度增加了，從而使得測(cè)得的衰減系數(shù)出現(xiàn)了明顯的下降。

在上述仿真結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明發(fā)射接收線圈僅采用蝶形線圈的結(jié)果與蝶形線圈發(fā)射單導(dǎo)線接收、單導(dǎo)線發(fā)射蝶形線圈接收存在較大差異。因此，在利用EMAR方法進(jìn)行試件的聲衰減系數(shù)檢測(cè)時(shí)，需要考慮線圈的分布形式。采用單導(dǎo)線線圈發(fā)射接收可以得到最準(zhǔn)確的衰減系數(shù)，采用蝶形線圈發(fā)射、單導(dǎo)線接收的形式可以兼顧接收信號(hào)的幅值以及衰減系數(shù)的可信度。而采用蝶形線圈進(jìn)行發(fā)射接收時(shí)，由于接收線圈處的聲場(chǎng)存在多聲源的疊加情況，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量的衰減系數(shù)出現(xiàn)明顯不同，其具體變化情況與實(shí)驗(yàn)的配置方式有較強(qiáng)的相關(guān)性。