張　黎,王　哲，崔西明，康宜華

(1.衡陽華菱鋼管有限公司, 衡陽 421001;2.華中科技大學 機械科學與工程學院， 武漢 430074)

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表面粗糙度對電磁超聲測厚的影響

張黎1,王哲2，崔西明2，康宜華2

(1.衡陽華菱鋼管有限公司, 衡陽 421001;2.華中科技大學 機械科學與工程學院， 武漢 430074)

摘要：電磁超聲測厚中，被檢工件表面粗糙度對檢測的穩(wěn)定性和精度有較大影響。為了探究表面粗糙度對電磁超聲測厚的影響，在不同表面粗糙度試件上進行電磁超聲測厚試驗，給出了試件耦合面和背面不同表面粗糙度下回波信號的幅值和信噪比。結(jié)果表明，超聲回波幅值及信噪比隨著表面粗糙度的增大而減小。從表面粗糙度對超聲散射的角度分析了試件背面不同粗糙度對回波幅值的影響；最后,以矩形槽粗糙度元模擬固體粗糙表面，從試件耦合面粗糙度對渦流密度分布及其滲透深度影響的角度分析了表面粗糙度和超聲回波信號的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：表面粗糙度；電磁超聲；散射；渦流密度

電磁超聲(EMAT)測厚中，探頭和被測件之間無需耦合劑且是非接觸式測量[1]，故該方法廣泛地應(yīng)用于工業(yè)測厚中。但被測件表面質(zhì)量不佳會影響超聲回波信號[2]，進而影響測厚的穩(wěn)定性和精度。國內(nèi)外針對表面粗糙度對壓電超聲回波的影響研究主要集中在探討超聲散射對回波幅值的影響方面，文獻[3]中提出利用大平底面回波聲壓公式推導表面粗糙度引起的超聲散射增益補償公式，文獻[4]利用超聲表面回波(S波)修正散射引起的測厚誤差。但,表面粗糙度對超聲回波幅值的影響少有研究。

筆者首先通過試驗分析相同材料不同表面粗糙度下，工件耦合面和背面超聲回波幅值信號的特點及其變化，討論了超聲散射對粗糙表面測厚產(chǎn)生的影響；最后選取合適的粗糙度元進行建模，仿真分析了表面粗糙度對試件表面渦流密度分布以及對超聲回波信號的影響。

1試驗過程及結(jié)果

1.1試件

采用的試件為:加工精度較高(Ra=0.25 μm)的平磨加工工件一件，編號為1;表面粗糙度Ra分別為3.2,6.3,12.5 μm，加工方式為立銑，編號為2,3,4的工件。四件試件厚度相同，工件材料均為Q235鋼，背面表面粗糙度相同(Ra均為1.6 μm)，試件表面狀態(tài)如圖1所示。

圖1　不同粗糙度試件的表面(耦合面)特征

試驗采用同一電磁超聲測厚儀和探頭，在試件上相同位置分別對試件的耦合面和背面進行兩組厚度測量試驗，如圖2所示。

圖2　EMAT測厚示意

圖3　平磨試件的EMAT回波信號及其頻譜

1.2耦合面粗糙度對電磁超聲測厚的影響

利用電磁超聲測厚儀在試件1的平磨加工面進行測厚試驗。在一定增益情況下，實測的超聲回波信號幅值變化如圖3(a)所示。試驗發(fā)現(xiàn)，平磨試件加工表面較光滑，回波信號幅值較大且變化較慢，并未有明顯的噪聲信號。其回波信號的頻譜如圖3(b)所示，可見,有效頻率成分幅值較大，說明超聲回波信號衰減較小，重復(fù)測厚試驗的測厚穩(wěn)定性和精度較高。

保持試驗條件不變，對立銑工件24的表面在相同位置進行電磁超聲測厚，用示波器觀察128次平均處理后的回波信號，分析不同試塊回波信號的頻譜幅值,如圖4所示。

圖4　立銑試件的回波信號及頻譜幅值變化

對比圖4(a)(c)中的7次底面回波發(fā)現(xiàn)，在相同增益下，底面回波幅值隨著粗糙度的增大而減小。而圖4(d)中試件24與平磨試件1的頻譜幅值進行對比，信號有效頻率成分的最大幅值卻隨著粗糙度的增大而降低。為了進一步分析，分別取24號試件測厚的7次底面回波幅值(Us)進行比較，得到圖5(a)，同時取對應(yīng)的回波噪聲的最大幅值(Un)進行對比，利用信噪比公式20lg(Us/Un)計算得到信噪比，結(jié)果如圖5(b)。

圖5　立銑試件耦合面不同Ra下的信號特征

通過圖5對比發(fā)現(xiàn),當Ra值在3.212.5 μm間時，隨著聲波反射次數(shù)的增加，Ra值越大的鋼板測厚回波幅值衰減趨勢越明顯，且基波噪聲增大，信噪比隨之減小。當Ra值達到12.5 μm時，超聲回波幅值較小，信噪比非常低，已經(jīng)不能準確地進行測厚。

由此可見，當被測件耦合面較光滑時，電磁超聲回波信號衰減較小，測厚精度較高；被測件表面粗糙時，回波信號衰減很快，甚至不能獲得測厚信號，信號的有效頻率成分幅值減小，回波能量降低，檢測穩(wěn)定性差，精度較低。因此，電磁超聲應(yīng)用于粗糙表面測厚時，較難建立回波信號，也就難以實施有效測厚。

1.3背面粗糙度對電磁超聲測厚的影響

為了探究被測件背面粗糙度對EMAT回波信號的影響，保持試驗條件不變，將立銑試件不同粗糙度加工面放置在背面，耦合面粗糙度相同(Ra均為1.6 μm)。各試件的電磁超聲測厚回波信號幅值變化及信噪比如圖6所示。

圖6　立銑試件背面不同Ra下的信號特征

由圖6(a)中試件背面不同表面粗糙度下的7次回波幅值的變化可看出，在相同的增益下隨著粗糙度值的增大，回波幅值也是逐漸衰減的。而圖6(b)中的不同Ra下的信噪比較高，能較清晰地分辨測厚回波信號，測厚數(shù)值穩(wěn)定。為進一步分析，比較同一塊粗糙度試件在耦合面和背面的回波信號幅值，取試塊2和試塊4為例，如圖7所示。

圖7　立銑試件耦合面和背面信號幅值對比

由圖7可見,耦合面為粗糙面時，回波信號整體幅值比背面為粗糙面時小。這表明，電磁超聲測厚耦合面粗糙度大時，回波信號衰減較快，甚至不能測厚；而被測件背面粗糙度稍大時，對回波信號影響稍小，此時測量表面質(zhì)量不太高的被測件是可行的。

造成以上結(jié)果的原因主要有兩方面:首先,電磁超聲回波信號受到凹凸不平粗糙面的散射作用，造成回波能量的衰減，回波幅值減小，信噪比降低；其次,電磁超聲激勵高頻電流會在試件表面產(chǎn)生渦流，而表面粗糙度不同引起渦流密度分布不均，從而造成激勵的超聲波能量降低，回波幅值衰減較快。下面通過理論和建模仿真，進一步分析表面粗糙度對超聲回波的影響。

2影響機理分析

2.1理論分析

電磁超聲測厚回波信號幅值變化和信噪比與超聲回波能量大小有關(guān)。試件耦合面和背面分別為粗糙面時，回波能量損耗不同(內(nèi)部能量損耗相同)，如圖8所示。假設(shè)換能時粗糙表面造成的回波損耗為ΔE，聲波反射時粗糙表面造成的回波損耗為ΔS，那么對比第k次和第(k+1)次底面回波這兩個相鄰的回波脈沖，粗糙面在試件耦合面和背面造成的不同損耗如表1所示。

圖8　粗糙面位于不同位置的能量損耗示意

底面回波次數(shù)耦合面粗糙背面粗糙kΔE+(k-1)·ΔSk·ΔSk+1ΔE+k·ΔS(k+1)·ΔS

由表1可知，ΔE和ΔS的影響造成了粗糙面在耦合面和背面的回波能量的損耗不同。

當試件背面為粗糙面時，超聲回波能量衰減主要受散射影響。聲波經(jīng)過粗糙表面時散射增加，造成回波信號幅值降低，回波脈沖展寬[5]。當超聲波波長遠大于粗糙度尺寸時，屬于瑞利散射[6]，散射強度較?。划敶植诙瘸叽缗c超聲波波長相當時，屬于米氏散射，散射強度與粗糙度尺寸有關(guān)，散射情況復(fù)雜，散射強度大。鋼板試件中橫波聲速v為3 230 m·s-1，超聲波頻率f為3.54 MHz時，超聲波波長為：

(1)

由式(1)看出，超聲波波長遠大于試件表面粗糙度，發(fā)生瑞利散射，散射強度較小，因此對回波信號的衰減較小，這與上文中的試驗結(jié)果一致。

另一方面，電磁超聲探頭主要由線圈和偏置磁體組成，線圈中高頻電流在被測件表面產(chǎn)生渦旋電場。具有一定表面粗糙度的被測件表面，渦流在趨膚層的流動會受到表面微觀形貌的影響。根據(jù)電磁學基本理論，采用電磁學基本公式[7]表示電磁超聲產(chǎn)生洛倫茲力的過程：

(2)

式中:fL為洛倫茲力;JE為渦流密度;Bd,m為激勵電流在試件內(nèi)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度;Bs為永久磁鐵提供的偏置磁場。

洛倫茲力以及激勵線圈產(chǎn)生的渦流密度和磁場矢量和成正比。由以上分析可知，被測件的表面粗糙度導致渦流密度減小，激勵電流及偏置磁場不變的情況下，產(chǎn)生的洛倫茲力會減小，進而導致渦流帶電粒子振動頻率較小，激勵超聲波能量減小，最終使超聲回波信號幅值減小，信噪比降低。

2.2仿真分析

為了更精確地分析渦流密度與試件表面粗糙度的關(guān)系，利用ANSYS有限元分析軟件建立線圈和試件的模型，計算不同粗糙度試件及不同截面上的渦流密度大小。模型材質(zhì)為鋼，分為理想的光滑表面(見圖9)和粗糙層厚度為3,12,24 μm的表面(見圖10)。

圖9　光滑表面仿真模型

圖10　粗糙表面仿真模型

粗糙表面采用了在光滑表面加矩形槽的方式，矩形槽寬度0.5 mm，深度分別為3,12,24 μm，兩個矩形槽之間的間距為1.5 mm。圖11為不同粗糙表面試件的渦流密度云圖仿真結(jié)果。為進一步分析粗糙度對渦流透入深度的影響，圖12給出了不同粗糙表面下不同深度截面處的渦流密度分布曲線。

圖11　不同粗糙表面的電流密度云圖

圖12　不同深度截面處的渦流密度分布

通過觀察圖11發(fā)現(xiàn)，當渦流方向和矩形槽走向一致時，渦流密度的衰減較大；當渦流方向和矩形槽方向垂直時，渦流密度的衰減較小，從而導致了在渦流方向和矩形槽方向一致的位置附近的渦流滲透深度較淺，而在渦流方向和矩形槽方向垂直的位置附近的渦流滲透深度較深。通過對比圖12中理想光滑表面和不同粗糙表面的渦流密度，可以發(fā)現(xiàn)粗糙表面的渦流密度比光滑表面的渦流密度小，同時被測件耦合面粗糙時的渦流滲透深度大于光滑時的深度。因此渦流密度及其滲透深度在耦合面粗糙的被測件中是不均勻的。

綜上所述，被測件粗糙面比光滑面上的感生渦流密度要小，在激勵電流和偏置磁場不變的情況下，產(chǎn)生的洛倫茲力會減小，造成回波能量減小，幅值降低。同時由于渦流在粗糙鋼板中分布的位置和深度不均勻，也會影響超聲回波質(zhì)量，使基波噪聲變大，信噪比降低，測厚精度差。將上述結(jié)論與試驗結(jié)果對比，兩者呈現(xiàn)較好的一致性。

3結(jié)論

(1) 被測件的電磁超聲測厚回波能量隨粗糙度的增大而減小，當粗糙度增大到一定值后，不能實施有效測厚。

(2) 電磁超聲測厚的耦合面和背面粗糙度相同時，對超聲回波信號的影響程度不同，耦合面的影響嚴重。

(3)耦合面和背面均會造成超聲波的散射，聲波散射對超聲回波能量影響較小;粗糙耦合面還會使表面整體渦流密度減小，同時渦流密度及其滲透深度在被測件表面不均勻時，會造成激勵超聲波能量減小，基波噪聲變大，信噪比降低。

參考文獻:

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[7]沈熙寧. 電磁場與電磁波[M]. 北京:科學出版社, 2006.

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Influence of Surface Roughness on Thickness Measurement with EMAT

ZHANG Li1, WANG Zhe2, CUI Xi-ming2, KANG Yi-hua2

(1.Hengyang Valin Steel Tube Co., Ltd., Hengyang 421001, China;2.School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science &Technology, Wuhan 430074, China)

Abstract：In the thickness measurement with electromagnetic ultrasonic, the surface roughness of the workpiece has a great influence on the stability and accuracy of the detection. In order to explore the influence of surface roughness on the test, the amplitude and SNR of the thickness of the specimen with different surface roughness were presented. The experimental results show that the amplitude of ultrasonic echo and the SNR decrease with the increase of the surface roughness. This paper, based on the ultrasonic scattering angle due to surface roughness, analyzes the influence of different roughness in specimen back face on echo amplitude at first; and then, the relationship between roughness of surface and ultrasonic echo signal was analyzed through establishing the rectangular groove roughness element simulation at a rough solid surface, and by approaching the problem from the effect of specimen coupling surface roughness on eddy current density distribution and on the penetration depth.

Key words:Surface roughness; Electromagnetic ultrasonic; Scattering; Vortex density

中圖分類號：TG115.28

文獻標志碼：A

文章編號：1000-6656(2016)04-0049-05

DOI:10.11973/wsjc201604013

作者簡介：張黎(1971-),男,高級工程師,長期從事鋼管無損檢測及其研究工作。通信作者：康宜華(1965-)，男，博士生導師，主要研究方向為超聲波無損檢測技術(shù)及儀器，E-mail：yhkang@263.net。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51475194，51275193)

收稿日期：2015-11-02