航空不銹鋼薄板電磁超聲SH導(dǎo)波檢測定量分析方法

吳銳,石文澤,2,盧超,3,*,李秋鋒,陳果

1.南昌航空大學(xué) 無損檢測教育部重點實驗室,南昌 330063 2.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所 聲場聲信息國家重點實驗室,北京 100190 3.贛南師范大學(xué) 江西省數(shù)值模擬與仿真技術(shù)重點實驗室,贛州 341000

不銹鋼以其良好的耐腐蝕性和耐熱性能被廣泛運用于現(xiàn)代航空工業(yè)行業(yè),如大型液體燃料運載火箭、高強度低溫壓力容器和低壓流體容器,其組成材料之一的航空不銹鋼薄板在使用前需對其進行驗收,超聲檢測以其適用性強、靈敏度高、穿透力好、對缺陷形貌評價準(zhǔn)確等優(yōu)點,被廣泛用于板材缺陷的快速檢測。

相對于傳統(tǒng)超聲縱波探頭低效率地逐點檢測,超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)兼具非接觸、長距離、大范圍檢測等優(yōu)點,是進行板狀構(gòu)件無損檢測的有效手段。其中蘭姆波是應(yīng)用最廣泛的超聲導(dǎo)波之一,焦敬品等對板結(jié)構(gòu)的裂紋缺陷進行了蘭姆波檢測,可實現(xiàn)對多個裂紋方向的識別。超聲蘭姆波檢測對待檢試件表面質(zhì)量要求高,回波信號幅值受耦合效果影響較大,對航空不銹鋼薄板而言,其表面含有油污、銹蝕、水珠等雜質(zhì),會導(dǎo)致蘭姆波快速衰減,嚴(yán)重影響蘭姆波的檢測距離和檢測靈敏度。張志鋼等研究了在鐵磁性材料中激勵蘭姆波的電磁超聲換能器(Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT)結(jié)構(gòu)和機制模型。與蘭姆波相比,水平剪切(Shear Horizontal,SH)波的質(zhì)點振動與金屬試樣表面平行,只有面內(nèi)位移,受在役航空不銹鋼薄板表面雜質(zhì)的影響較小,適用于板類薄壁構(gòu)件的快速檢測。

雖然SH導(dǎo)波具有頻散和多模態(tài)特性,但是基礎(chǔ)模態(tài)SH不會發(fā)生頻散和模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。李法新等研制出的面剪切壓電換能器可激發(fā)和接收SH波,但面剪切模式無法激勵出單模態(tài)的SH波。而電磁超聲檢測技術(shù)具有非接觸、無需耦合劑、激發(fā)超聲波類型靈活多變、探頭不易磨損等優(yōu)點。為有效檢出缺陷,Li等利用頻散計算軟件研究了導(dǎo)波在平板中的頻散和多模態(tài)特性,為EMAT參數(shù)、導(dǎo)波工作點和激勵頻率的選擇提供了依據(jù)。此外,電磁超聲SH導(dǎo)波對裂紋非常敏感,可對缺陷進行有效檢測。楊理踐等針對鋁板中難以檢測的斜向裂紋設(shè)計了一種斜向曲折線圈EMAT,實現(xiàn)了鋁板中的全方位裂紋缺陷檢測。Kim等研制了一種全向SH波貼片換能器,可對金屬板進行結(jié)構(gòu)檢測。

然而電磁超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)存在換能效率低、受環(huán)境噪聲影響較大等問題,導(dǎo)致回波信號信噪比較低。為解決這個問題,研究者們對EMAT進行了探頭的優(yōu)化設(shè)計。孫斐然等分析了偏置磁場、激勵線圈、提離距離等參數(shù)對換能效率的影響,對EMAT進行了優(yōu)化設(shè)計；時亞等通過建立多根分裂曲折線圈接收EMAT的有限元模型,基于正交試驗表分析了曲折線圈導(dǎo)線寬度、高度和根數(shù)對EMAT接收效率的影響,實驗結(jié)果表明多根分裂曲折線圈EMAT的接收效率較單匝曲折線圈EMAT提高了50.8%；Pei等提出了一種新型的曲折線圈電磁超聲換能器(MLC EMAT)設(shè)計方法,把檢測效率提高了1倍以上。Sun等提出了一種新的斜點聚焦SH波EMAT結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)對焦點區(qū)域缺陷的高靈敏度檢測。信號處理方面,石文澤等采用巴克碼脈沖壓縮技術(shù)使超聲回波的信噪比提高了8.0 dB,可在實際檢測中增大EMAT提離以滿足在線快速檢測的需求。劉素貞等采用自適應(yīng)濾波對電磁超聲信號進行了降噪處理,實現(xiàn)了對電磁超聲信號的實時降噪和特征提取。

電磁超聲導(dǎo)波應(yīng)用范圍廣,大部分學(xué)者對電磁超聲導(dǎo)波技術(shù)的研究主要側(cè)重于損傷檢測方法、傳播特性和EMAT優(yōu)化設(shè)計。在缺陷SH導(dǎo)波檢測定量表征方面,Ohtsuka等針對缺陷尺寸研究了SH導(dǎo)波檢測的多路徑方法。Li和Cho利用SH導(dǎo)波對平板中缺陷的量化和成像進行了研究。Nazeer等研究了SH導(dǎo)波與彎曲板缺陷的作用規(guī)律,為使用超聲導(dǎo)波檢測和表征彎曲板處的缺陷提供了參考。為此本文首先通過時域仿真繪制周期性永磁體電磁超聲換能器(Periodic-Permanent-Magnet Electromagnetic Acoustic Transducer,PPM EMAT)對應(yīng)的裂紋距離-波幅曲線(Distance Amplitude Curve,DAC),其次以頻域仿真分析不同設(shè)計參數(shù)的PPM EMAT輻射聲場特性體現(xiàn)永磁體參數(shù)對SH導(dǎo)波DAC的影響,然后找到一條平穩(wěn)的SH導(dǎo)波DAC達到航空不銹鋼薄板的遠距離檢測靈敏度要求,最后進行實驗驗證。

1 原理和方法

1.1 SH導(dǎo)波EMAT的換能機制

PPM EMAT主要由周期性永磁體、跑道線圈和被檢試件3部分組成。在金屬薄板檢測中,PPM EMAT可有效激發(fā)SH導(dǎo)波,基于洛倫茲力換能機制的SH波EMAT激勵原理如圖1所示,在跑道線圈上通以頻率為的高頻交變電流,試件表面感應(yīng)出與之方向相反的渦流。在軸方向上的周期陣列靜磁場的作用下,試樣表面質(zhì)點受到軸方向上洛倫茲力作用,使試件內(nèi)部的質(zhì)點產(chǎn)生周期性振動,振動頻率為,該振動傳播出去即產(chǎn)生SH導(dǎo)波。多匝緊密排列的跑道線圈可產(chǎn)生較強的感應(yīng)渦流,在試件內(nèi)部激勵出SH波,如圖2所示。PPM EMAT激發(fā)的SH波波長由永磁體的寬度或相鄰永磁體中心間距決定。

圖1 SH導(dǎo)波EMAT的換能機制Fig.1 Energy transfer mechanism of SH guided wave EMAT

圖2 SH導(dǎo)波EMAT的結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of SH guided wave EMAT

1.2 不銹鋼薄板的SH導(dǎo)波頻散曲線

不銹鋼薄板的彈性模量為206 GPa,泊松比為0.3,密度為7 850 kg/m,通過Disperse軟件繪制了厚度為4 mm的不銹鋼薄板頻散曲線,如圖3所示?？芍猄H的截止頻率為0.42 MHz,當(dāng)激勵頻率高于0.42 MHz時,不銹鋼薄板中將存在多個模態(tài)。PPM EMAT的激勵頻率越低,SH導(dǎo)波的波長越大,則回波信號的分辨率越低。

圖3 4 mm厚不銹鋼薄板SH導(dǎo)波頻散曲線Fig.3 Dispersion curves of SH guided waves in 4 mm thick stainless steel plate

根據(jù)圖3(a)的SH導(dǎo)波頻散曲線,以波長為斜率畫虛線,與SH的交點即為SH導(dǎo)波的激勵點,波長為永磁體寬度的兩倍。當(dāng)永磁體寬度=7 mm時可得出波長=14 mm,其對應(yīng)的激勵頻率為0.235 MHz。同理可得寬度為5、8、10 mm的永磁體對應(yīng)激勵頻率分別為0.330、0.200、0.160 MHz。

2 不銹鋼薄板裂紋缺陷的檢測方法

2.1 SH0導(dǎo)波與裂紋的相互作用

圖4為SH導(dǎo)波在不銹鋼薄板中傳播的三維有限元模型。鋼板試樣的長度、寬度和高度分別為250、80、4 mm,永磁體的長度、寬度和對數(shù)分別為20 mm、7 mm和6對,裂紋為不銹鋼薄板上表面沿厚度方向延伸的非貫穿缺陷,裂紋長為10 mm,寬度和深度均為1 mm。網(wǎng)格的劃分采用自由四面體單元,為確保導(dǎo)波在一個波長內(nèi)有足夠多的網(wǎng)格單元,劃分網(wǎng)格的單元尺寸設(shè)置為/10。SH導(dǎo)波的產(chǎn)生是因受到了沿軸方向的水平剪切力,因此在鋼板表面定義如圖4 所示的6對表面加載區(qū)域以模擬EMAT,在其軸的正方向和負方向施加加載力,其大小為,加載力的方程為一個正弦脈沖串,低反射邊界添加在不銹鋼薄板的3個側(cè)面上。

圖4 EMAT的時域仿真模型及其參數(shù)Fig.4 Time domain simulation model of EMAT and its parameters

當(dāng)計算時間步長不大于1/(100)時有限元計算結(jié)果基本收斂,可保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。激勵頻率為0.235 MHz時不銹鋼薄板上的超聲位移如圖5所示,可知SH導(dǎo)波在不銹鋼薄板的傳播過程中波結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生改變。SH導(dǎo)波在不同時刻的傳播云圖如圖6所示。

圖5 鋼板軸向截面區(qū)域中的超聲波位移y分量Fig.5 y-component of ultrasonic displacement in axial section of steel plate

圖6 不銹鋼薄板中SH0導(dǎo)波的傳播云圖Fig.6 Cloud image of SH0 guided wave propagation in stainless steel sheet

2.2 不銹鋼薄板SH0導(dǎo)波DAC可行性分析

DAC是描述某一確定反射體的回波高度隨距離變化的關(guān)系曲線。對于大小相同的缺陷,當(dāng)聲程不同時,對應(yīng)的回波幅度也會不同。用橫坐標(biāo)表示聲程,縱坐標(biāo)表示回波幅度,將不同聲程對應(yīng)不同波幅的最高點連接成一條曲線,這條線便被稱為DAC。

蘭姆波具有頻散和多模態(tài)特性,在傳播過程中遇到反射體后會產(chǎn)生多個模態(tài),難以繪制其DAC。由圖6可知SH導(dǎo)波在不銹鋼薄板傳播過程中沒有發(fā)生頻散和模態(tài)轉(zhuǎn)換現(xiàn)象,且在不銹鋼薄板厚度上的切向位移近似恒定,可對缺陷進行檢測,通過繪制DAC可方便地分析不同缺陷變化對缺陷回波的影響,以實現(xiàn)對缺陷進行定量表征分析。

2.3 不同裂紋對應(yīng)的SH導(dǎo)波DAC

為繪制不同長度裂紋的DAC,將圖4所示的有限元模型設(shè)置好不同的裂紋,裂紋為非貫穿型,長度分別為10、15、20 mm,寬度和深度均為1 mm。永磁體長度、寬度和對數(shù)分別為20 mm、8 mm 和6對。將其與EMAT的距離從10 mm增加到150 mm,每隔10 mm采集一組數(shù)據(jù),每個裂紋采集15個點,總計45個點,記錄下每個點的缺陷波幅值后,分別除以這些點中最大的缺陷波幅值進行歸一化,得到的DAC如圖7所示?？芍?dāng)聲程的值為20 mm時,20 mm長裂紋的回波幅值比15 mm長裂紋的回波幅值高2.91 dB,15 mm 長裂紋的回波幅值比10 mm長裂紋的回波幅值高1.76 dB。

圖7 不同裂紋對應(yīng)的SH導(dǎo)波DACFig.7 DACs of SH guided wave corresponding to different cracks

缺陷波幅值隨裂紋長度的增大而增大,裂紋越長,超聲波的反射面越大,反射回波的能量也就越強；當(dāng)裂紋長度超過EMAT換能區(qū)域后,缺陷波幅值將趨于穩(wěn)定。

2.4 EMAT設(shè)計參數(shù)對SH導(dǎo)波DAC的影響

為分析不同永磁體寬度對裂紋檢出效果的影響,對長度為10、15、20 mm的非貫穿型裂紋進行仿真,其中裂紋的寬度和深度均為1 mm,分別設(shè)置了寬度為5、7、8、10 mm的永磁體,其中永磁體長度為20 mm,對數(shù)為6。將其與裂紋的距離從10 mm增加到150 mm,每隔10 mm 采集一組A掃信號波形,歸一化后得到的SH導(dǎo)波DAC如圖8 所示?？芍? mm寬永磁體對應(yīng)的缺陷回波幅值大于8 mm寬永磁體對應(yīng)的缺陷回波幅值,永磁體寬度對缺陷回波幅值的影響并不是呈線性關(guān)系的；SH導(dǎo)波DAC整體呈先增大后減小的趨勢,10 mm寬度永磁體對應(yīng)的DAC缺陷波幅值下降最少。

圖8 不同永磁體寬度對應(yīng)的SH導(dǎo)波DACFig.8 DACs of SH guided waves corresponding to different magnet widths

為分析不同永磁體長度對裂紋檢出效果的影響,對長度為10、15、20 mm的非貫穿型裂紋進行仿真,裂紋的寬度和深度均為1 mm,分別設(shè)置長度為15、20、25、30 mm的永磁體,其中永磁體的寬度為7 mm,對數(shù)為6。將其與裂紋的距離從10 mm 增加到150 mm,每隔10 mm采集一組A掃信號波形,歸一化后得到如圖9所示的結(jié)果,可知隨永磁體長度增大,DAC的極大值逐漸右移,缺陷波幅值下降的幅度變緩。

為分析不同永磁體對數(shù)對裂紋檢出效果的影響,對長度為10、15、20 mm的非貫穿型裂紋進行仿真,裂紋的寬度和深度均為1 mm,分別設(shè)置了對數(shù)為2、4、6、8的永磁體,其中永磁體的長度為20 mm,寬度為7 mm。將其與裂紋的距離從10 mm 增加到150 mm,每隔10 mm采集一組A掃信號波形,歸一化后得到如圖10所示的結(jié)果,可知隨永磁體對數(shù)增加,缺陷波幅值增大。

3 考慮SH導(dǎo)波輻射聲場的EMAT優(yōu)化設(shè)計

由第2節(jié)可知裂紋DAC不僅與裂紋尺寸相關(guān),而且與EMAT的設(shè)計參數(shù)(永磁體寬度、長度和對數(shù))相關(guān)。為了進一步闡述EMAT設(shè)計參數(shù)對裂紋DAC的影響,需分析永磁體寬度(5～10 mm)、長度(15～30 mm)和對數(shù)(2～8對)共3個參數(shù)對EMAT輻射聲場和軸線聲壓分布的影響。

3.1 EMAT輻射聲場分析

為研究EMAT參數(shù)對SH導(dǎo)波輻射聲場的影響,建立了如圖11所示的SH導(dǎo)波在不銹鋼薄板中傳播的三維頻域有限元模型。與時域模型相比頻域模型無須設(shè)置時間步長和缺陷域,加載力大小為1,低反射邊界為不銹鋼薄板的4個側(cè)面。

在圖11所示的模型中設(shè)置不同的永磁體寬度(5、7、8、10 mm),激勵頻率分別為0.330、0.235、0.200、0.160 MHz,永磁體長度為20 mm,對數(shù)為6。經(jīng)計算得出永磁體寬度對SH導(dǎo)波聲場的影響如圖12所示,線上數(shù)字為歸一化聲壓幅值,可知PPM EMAT激發(fā)出的SH導(dǎo)波沿一個擴散角向外傳播。隨距離增大,SH導(dǎo)波的聲壓也增大,當(dāng)距離大于一定值時聲束開始擴散,聲壓開始減小。

圖11 EMAT的頻域仿真模型及其參數(shù)Fig.11 Frequency domain simulation model of EMAT and its parameters

在圖11所示的模型中設(shè)置不同的永磁體長度(15、20、25、30 mm),永磁體對數(shù)為6對,永磁體寬度為10 mm,激勵頻率為0.160 MHz。經(jīng)計算得出永磁體長度對SH導(dǎo)波聲場的影響如圖13 所示,可知隨永磁體長度增加,SH導(dǎo)波EMAT的方向性和指向性都大大增強；聲束擴散角隨永磁體長度的增加而減小,在遠距離的聲場強度隨永磁體長度的增大而增大。

圖13 0.160 MHz時不同永磁體長度的PPM EMAT對應(yīng)的SH0導(dǎo)波輻射聲場Fig.13 SH0 guided wave radiation sound fields corresponding to PPM EMAT of different magnet lengths at 0.160 MHz

在圖11所示的模型中設(shè)置不同的永磁體對數(shù)(2、4、6、8對),永磁體長度為20 mm,永磁體寬度為7 mm,激勵頻率為0.235 MHz。經(jīng)計算得出永磁體對數(shù)對SH導(dǎo)波輻射聲場的影響如圖14 所示,可知隨著永磁體對數(shù)增加,SH導(dǎo)波EMAT的方向性和指向性都有增強,但是沒有永磁體長度的影響明顯。

3.2 EMAT軸線聲壓分布分析

永磁體的結(jié)構(gòu)參數(shù)會對EMAT的聲場產(chǎn)生影響,通過分析不同永磁體寬度、長度、對數(shù)對EMAT軸線(如圖11所示,軸線代表鋼板表面上的中心線)聲壓分布的影響得到EMAT的最佳參數(shù)組合。

圖15顯示了永磁體寬度對軸線聲壓分布的影響。永磁體寬度改變時,EMAT的激勵頻率也會隨之改變。由1.2節(jié)可知永磁體寬度越大,激勵頻率越低。由于永磁體寬度的改變會影響激勵頻率的大小,因此選擇一個合理的永磁體寬度就是找到一個最佳的激勵頻率。由圖15可知寬度為5 mm和10 mm的永磁體EMAT對應(yīng)的軸線聲壓先增大、后減小、再增大,聲壓分布不均勻；8 mm寬永磁體大多數(shù)情況下小于7 mm寬永磁體對應(yīng)的軸線聲壓；7 mm寬永磁體對應(yīng)的EMAT軸線聲壓先增大后減小,最后趨于均勻穩(wěn)定,有利于對缺陷進行定量檢測。

圖15 不同永磁體寬度PPM EMAT對應(yīng)的軸線聲壓分布Fig.15 Axial sound pressure distributions corresponding to PPM EMAT of different magnet widths

圖16顯示了永磁體長度對軸線聲壓分布的影響?？芍来朋w長度對軸線聲壓分布有顯著影響,長度為15、20、25、30 mm的永磁體EMAT對應(yīng)的軸線聲壓分別在=65,78,92,140 mm處取得極大值后再逐漸減小。長度為30 mm的永磁體對應(yīng)軸線聲壓極大值最大,長度為15、20 mm 的永磁體對應(yīng)軸線聲壓又分別在=173,201 mm處取得極小值后逐漸上升,相比之下長度為25 mm的永磁體EMAT在遠距離的聲壓能量越趨于穩(wěn)定和均勻,利于對遠距離缺陷的檢測。

圖16 不同永磁體長度PPM EMAT對應(yīng)的軸線聲壓分布Fig.16 Axial sound pressure distributions corresponding to PPM EMAT of different magnet lengths

圖17顯示了永磁體對數(shù)對軸線聲壓分布的影響?？芍狤MAT對應(yīng)的軸線聲壓大致呈先增大后減小的趨勢,永磁體對數(shù)對軸線聲壓影響較大,2、4、6、8對永磁體EMAT對應(yīng)的軸線聲壓分別在=53,62,78,93 mm處取得極大值后再逐漸減小。隨永磁體對數(shù)增加,軸線聲壓分布隨距離增加而減小的幅度更小,更趨于穩(wěn)定。8對永磁體組成的EMAT體積過大,在近距離處的聲壓起伏不定；2對永磁體對應(yīng)的軸線聲壓在>150 mm后變化幅度更明顯；4對永磁體與6對永磁體對應(yīng)的軸線聲壓走勢大體一致,但4對永磁體的聲壓能量相比之下略小于6對永磁體的。因此,6對永磁體EMAT利于較長距離缺陷檢測。

圖17 不同永磁體對數(shù)PPM EMAT對應(yīng)的軸線聲壓 分布Fig.17 Axial sound pressure distributions corresponding to PPM EMAT of different magnet pairs

3.3 PPM EMAT的聲場實驗驗證

EMAT檢測系統(tǒng)主要包括筆記本電腦(裝有LabVIEW)、信號發(fā)生器(AFG-2022B)、功率放大器(GA-2500A)、阻抗匹配盒、數(shù)據(jù)采集卡、前置放大器、SH導(dǎo)波EMAT激勵探頭以及一個5 MHz 的?4 mm壓電橫波接收探頭(Olympus V157)。

EMAT聲場實驗系統(tǒng)檢測原理如圖18所示,其中為壓電式橫波接收探頭的掃查軌跡,為SH導(dǎo)波EMAT發(fā)射探頭的中心軸線,為壓電式橫波接收探頭的掃查角度。

圖18 電磁超聲導(dǎo)波檢測實驗系統(tǒng)Fig.18 Experimental system for guided wave detection of electromagnetic ultrasound

輻射聲場測點布置如圖19所示,壓電式橫波接收探頭以EMAT發(fā)射探頭中心點為圓心、在半徑為150 mm的圓弧線上進行掃查,掃查角度=-30°～30°,掃查步長為3°,掃查點總共21個。當(dāng)=0°,15°,30°時采用壓電橫波探頭采集到的A掃波形如圖20所示。

圖19 輻射聲場測試點位分布Fig.19 Distribution of radiated sound field test points

圖20 壓電橫波探頭采集的A掃波形Fig.20 A-sweep waveforms collected by piezoelectric shear wave probe

取不同角度下的壓電橫波探頭采集到的A掃信號,將不同寬度永磁體EMAT對應(yīng)A掃信號中直達波的最大值作為被除數(shù)進行歸一化,結(jié)果如圖21(a)所示,同理可得圖21(b)和圖21(c)。可知永磁體長度、永磁體對數(shù)對EMAT輻射聲場的影響都呈線性變化,當(dāng)永磁體長度增大時,其對應(yīng)的EMAT輻射聲場指向性增強；當(dāng)永磁體對數(shù)增加時,其對應(yīng)的EMAT輻射聲場能量大大增強、擴散角減小。永磁體寬度對輻射聲場的影響呈非線性變化,7 mm寬永磁體對應(yīng)的EMAT比8 mm寬永磁體對應(yīng)的EMAT聲場能量大,且對應(yīng)的輻射聲場擴散角也更大,但在-15°～15°仍保持較高的聲場強度。

圖21 EMAT對應(yīng)的SH0導(dǎo)波輻射聲場Fig.21 EMAT corresponding to the SH0 guided wave radiation sound field

4 實驗應(yīng)用

4.1 不銹鋼薄板裂紋缺陷檢測

不銹鋼薄板裂紋電磁超聲SH導(dǎo)波檢測示意圖如圖22所示,不銹鋼薄板試件的長度為1 000 mm,寬度為600 mm,厚度為4 mm；人工直裂紋的長度為10 mm,寬度為1 mm,垂直深度為0.5 mm。SH導(dǎo)波的激勵探頭EMAT(T)和接收探頭EMAT(R)采用的都是相同的結(jié)構(gòu),兩個傳感器位于直裂紋的同一側(cè),相距110 mm。

圖22 含有裂紋的不銹鋼薄板示意圖Fig.22 Schematic diagram of stainless steel sheet with crack

當(dāng)SH導(dǎo)波激勵探頭距離人工直裂紋缺陷的距離過小時缺陷波會與始波重合,因此先將激勵探頭放在距離裂紋缺陷50 mm處的位置,保持激勵探頭與接收探頭的距離110 mm不變,記錄當(dāng)前最大信號幅值,然后同時將兩個探頭遠離人工直裂紋缺陷,以激勵探頭到人工直裂紋缺陷之間的距離為自變量,便可得出EMAT檢測的缺陷回波幅值隨探頭位置變化的關(guān)系曲線(DAC),6對5 mm寬、20 mm長永磁體組成的PPM EMAT采集到的A掃波形如圖23所示,可知缺陷波的幅值隨的增大而減小。

4.2 不同EMAT參數(shù)的薄板裂紋定量DAC實驗驗證

永磁體寬度對DAC的影響如圖24所示,可知不同寬度永磁體對應(yīng)的裂紋DAC整體上都隨增加呈下降趨勢變化,當(dāng)從50 mm增加到140 mm時8 mm寬永磁體對應(yīng)的DAC缺陷波幅值下降為5.3 dB,7 mm寬永磁體對應(yīng)的DAC缺陷波幅值下降為4.8 dB,7 mm寬永磁體對應(yīng)的DAC缺陷波幅值下降更小,相較于10 mm寬永磁體,7 mm寬永磁體組成的EMAT尺寸更小,更適合應(yīng)用于缺陷檢測中。

圖24 不同永磁體寬度EMAT對應(yīng)的裂紋DACFig.24 Crack DACs corresponding to EMAT of different magnet widths

永磁體長度對DAC的影響如圖25所示,由圖25可知,當(dāng)從50 mm增加到140 mm時,15 mm長永磁體對應(yīng)的DAC缺陷波幅值下降6.8 dB,30 mm長永磁體對應(yīng)的DAC缺陷波幅值下降僅為3.1 dB。永磁體長度越大,對應(yīng)的DAC缺陷波幅值下降越少。

圖25 不同永磁體長度EMAT對應(yīng)的裂紋DACFig.25 Crack DACs corresponding to EMAT of different magnet lengths

與仿真結(jié)果相比,30 mm長度永磁體對應(yīng)的DAC隨增加一直呈下降趨勢,與圖9所示的30 mm長度永磁體對應(yīng)先增大后減小的DAC趨勢不同。原因在于SH導(dǎo)波在傳播過程中受介質(zhì)衰減和聲束擴散等因素的影響,因此當(dāng)聲程大于一定值后,缺陷回波幅值將表現(xiàn)為下降趨勢。在有限元模型中只考慮聲束擴散的影響,而在實際檢測實驗中缺陷回波幅值將同時受聲束擴散和介質(zhì)衰減的影響。另外在實驗中SH導(dǎo)波EMAT采用的是一發(fā)一收模型,而在有限元模型中采用的是自發(fā)自收模式。在實驗中SH導(dǎo)波傳播的距離比仿真模型多110 mm。

永磁體對數(shù)對DAC的影響如圖26所示,可知當(dāng)從50 mm增加到140 mm時,2對永磁體對應(yīng)的DAC缺陷波幅值下降6.6 dB,8對永磁體對應(yīng)的DAC缺陷波幅值下降僅為4.7 dB。永磁體對數(shù)越多,對應(yīng)的DAC缺陷波幅值下降越少。

圖26 不同永磁體對數(shù)EMAT對應(yīng)的裂紋DACFig.26 Crack DACs corresponding to EMAT of different magnets pairs

在SH導(dǎo)波檢測中,平穩(wěn)的DAC能保證對不同聲程處的缺陷均具較高的檢測靈敏度,進而根據(jù)相應(yīng)的DAC對EMAT系統(tǒng)接收到SH導(dǎo)波A掃信號進行缺陷尺寸判定。根據(jù)仿真和實驗結(jié)果并考慮EMAT體積不宜過大,6對25 mm長、7 mm 寬永磁體組成的EMAT具有較為均勻的輻射聲場特性,對應(yīng)的SH導(dǎo)波DAC也比較平穩(wěn)。

5 結(jié) 論

通過建立SH導(dǎo)波在不銹鋼薄板中傳播的有限元模型分析了時域模型下SH導(dǎo)波與裂紋的相互作用,研究了不同永磁體參數(shù)對SH導(dǎo)波DAC的影響,計算了頻域模型下EMAT的輻射聲場,對EMAT的永磁體參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計,最后進行實驗驗證。得到的主要結(jié)論如下：

1) SH導(dǎo)波在不銹鋼薄板中與裂紋作用后不會發(fā)生復(fù)雜的相互作用,產(chǎn)生頻散和多模態(tài)現(xiàn)象,非常適合板材裂紋缺陷的檢測。

2) 對EMAT的輻射聲場而言,永磁體寬度對其的影響呈非線性變化,而永磁體長度、對數(shù)對EMAT輻射聲場的影響呈線性關(guān)系。永磁體長度越大,對應(yīng)的聲場強度越高、指向性和方向性都有所增強；永磁體對數(shù)越多,其對應(yīng)的EMAT輻射聲場能量越強、擴散角越小。

3) 對于缺陷檢測來說,特別是遠距離檢測,永磁體長度越長,對應(yīng)的缺陷波幅值隨聲程變化的趨勢越小,能明顯地提高EMAT對遠距離缺陷的檢測能力。當(dāng)EMAT的永磁體組合為6對、25 mm長、7 mm寬時具有良好的輻射聲場強度和平穩(wěn)的DAC,可滿足對遠距離缺陷的檢測要求。