石文澤，程進(jìn)杰，胡碩臻，盧超,3,*，陳堯

1.南昌航空大學(xué) 無損檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063 2.中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所 聲場(chǎng)聲信息國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，贛州 341000

鋁合金具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、密度小及耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、衛(wèi)星等航空航天領(lǐng)域。受加工工藝影響，機(jī)械制造過程中的各類鍛壓及塑造成型的鋁合金薄板難免會(huì)出現(xiàn)裂紋、夾雜、分層等各種缺陷。這些缺陷會(huì)導(dǎo)致鋁板使用性能下降，使用過程中存在變形、斷裂等安全隱患。因此，采取有效的檢測(cè)手段及時(shí)發(fā)現(xiàn)并剔除含缺陷殘次品，對(duì)后續(xù)服役裝備的安全可靠運(yùn)行十分重要。

電磁超聲SH導(dǎo)波檢測(cè)技術(shù)因其非接觸、衰減小、頻散特性簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而適用于鋁金屬薄板缺陷檢測(cè)。但受電磁超聲換能效率較低的影響，激勵(lì)電壓幅值高達(dá)數(shù)百甚至數(shù)千伏，而接收到的信號(hào)幅值僅為幾微伏。在實(shí)際檢測(cè)中，超聲回波信噪比(SNR)受限于儀器的脈沖功率輸出和低噪聲信號(hào)放大能力。為此國(guó)內(nèi)外學(xué)者從電磁超聲換能器(EMAT)優(yōu)化設(shè)計(jì)和超聲信號(hào)處理等方面展開了研究。例如，王淑娟等建立了一種鋁板電磁超聲表面波檢測(cè)的三維有限元模型，基于正交實(shí)驗(yàn)表對(duì)影響換能效率的關(guān)鍵參數(shù)(EMAT線圈和永磁體)進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果表明優(yōu)化后回波幅值為優(yōu)化前的2.99倍。時(shí)亞等通過建立多根分裂曲折線圈接收EMAT有限元模型指出多根分裂曲折線圈EMAT換能效率較傳統(tǒng)EMAT線圈提高了50%。Benegal等利用SH導(dǎo)波EMAT檢測(cè)直徑為?60 mm的鋁管，比較了3種不同的周期性永磁體(PPM)EMAT的優(yōu)缺點(diǎn)，并指出與使用具有單個(gè)平面的PPM EMAT相比，使用與管道相同曲率的永磁體能將回波幅值提高70%以上。

信號(hào)處理方法是除EMAT優(yōu)化設(shè)計(jì)之外的另一種提高SNR的重要手段。以雷達(dá)信號(hào)處理為例，受設(shè)備發(fā)射峰值功率的限制，在提高雷達(dá)探測(cè)距離的同時(shí)難以保證較高的距離分辨力。為此采用寬脈沖信號(hào)能在提高信號(hào)能量的同時(shí)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行脈內(nèi)調(diào)制展寬信號(hào)頻譜，接收信號(hào)通過匹配濾波器處理以獲得窄脈沖、高峰值的脈沖信號(hào)，從而解決兩者之間的矛盾。EMAT換能效率低、高頻超聲傳播衰減系數(shù)大等不利因素導(dǎo)致SNR差及難以通過提高激勵(lì)頻率提高分辨率。雷達(dá)上應(yīng)用成熟的脈沖壓縮技術(shù)為提高電磁超聲信號(hào)信噪比提供了有價(jià)值的參考。

常用的脈沖壓縮技術(shù)主要包括頻率調(diào)制(線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻)和相位調(diào)制(二相碼、多相碼)，其中頻率調(diào)制脈沖壓縮技術(shù)已在超聲檢測(cè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。韓雪梅等在基于線性調(diào)頻信號(hào)的醫(yī)學(xué)高幀率成像系統(tǒng)上進(jìn)行了改進(jìn)，采用預(yù)失真的線性調(diào)頻信號(hào)作為激勵(lì)信號(hào)提高系統(tǒng)信噪比及軸向分辨率。石文澤等通過建立基于線性調(diào)頻信號(hào)激勵(lì)的電磁超聲檢測(cè)過程有限元模型，結(jié)合連鑄坯實(shí)驗(yàn)分析了線性調(diào)頻信號(hào)脈寬和頻寬對(duì)脈壓信號(hào)信噪比和空間分辨率的影響。然而頻率調(diào)制脈沖壓縮處理過程較為復(fù)雜，匹配濾波器的輸出響應(yīng)往往旁瓣較高，這會(huì)模糊多目標(biāo)距離分辨力，影響系統(tǒng)整體性能。而相位編碼信號(hào)通過時(shí)域的非線性調(diào)相擴(kuò)展信號(hào)帶寬，易于生成且壓縮處理過程簡(jiǎn)單。在空氣耦合超聲檢測(cè)中，周正干等將脈沖壓縮技術(shù)與超聲C掃結(jié)合起來，比較了相位編碼信號(hào)和調(diào)頻信號(hào)的檢測(cè)效果，結(jié)果表明相位編碼脈沖壓縮后信號(hào)信噪比優(yōu)于調(diào)頻信號(hào)，并優(yōu)選調(diào)制信號(hào)的脈沖壓縮關(guān)鍵參數(shù)，獲取了脈沖壓縮參數(shù)的選取準(zhǔn)則。針對(duì)脈壓信號(hào)旁瓣模糊多目標(biāo)分辨力的問題，Sato和Shinriki在常規(guī)二進(jìn)制編碼的基礎(chǔ)上搜尋了若干種峰值旁瓣小的編碼序列，并提出了一種針對(duì)二進(jìn)制編碼的時(shí)間旁瓣(TSL)降低技術(shù)。Blunt和Gerlach提出了自適應(yīng)脈沖壓縮技術(shù)，基于最小均方誤差準(zhǔn)則，通過迭代處理實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)信息的提取且其旁瓣抑制能力不依賴于特定波形。

本文首先將相位編碼脈沖壓縮技術(shù)與電磁超聲導(dǎo)波技術(shù)結(jié)合起來，通過設(shè)計(jì)匹配濾波器和旁瓣抑制濾波器達(dá)到較好的脈沖壓縮效果。然后，采用電磁超聲SH導(dǎo)波檢測(cè)7075航空鋁合金薄板，通過實(shí)驗(yàn)分析不同碼長(zhǎng)、載波周期數(shù)巴克碼激勵(lì)信號(hào)對(duì)脈沖壓縮信號(hào)的主瓣幅值和主副比的影響，并比較旁瓣抑制的效果。最后，以檢測(cè)不同規(guī)格裂紋為目的，比較單頻正弦激勵(lì)和巴克碼激勵(lì)脈沖壓縮對(duì)應(yīng)的超聲回波信噪比，驗(yàn)證相位編碼脈沖壓縮技術(shù)在電磁超聲導(dǎo)波檢測(cè)中的優(yōu)勢(shì)。

1 SH導(dǎo)波EMAT換能機(jī)制及脈沖壓縮技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

1.1 電磁超聲SH導(dǎo)波換能機(jī)制

在EMAT中，不同類型的線圈和永磁體配合，可激發(fā)出不同類型的超聲波。如圖1所示，采用PPM與跑道線圈組合可激勵(lì)SH導(dǎo)波。PPM EMAT換能機(jī)制如圖2所示，當(dāng)大功率射頻脈沖電流通過跑道線圈時(shí)，試樣近表面將產(chǎn)生頻率相同、方向相反的脈沖電渦流。電渦流在靜磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生沿軸方向的洛倫茲力，從而帶動(dòng)質(zhì)點(diǎn)高頻振動(dòng)，由于質(zhì)點(diǎn)之間作用力的傳遞和相互作用，進(jìn)而產(chǎn)生沿軸正負(fù)方向傳播的SH導(dǎo)波。SH導(dǎo)波的接收是其發(fā)射的逆過程。

圖1 PPM EMAT示意圖Fig.1 Schematic diagram of a PPM EMAT

圖2 PPM EMAT洛倫茲力換能機(jī)制Fig.2 Lorentz force conversion mechanism of a PPM EMAT

1.2 SH導(dǎo)波EMAT工作點(diǎn)選取

鋁合金薄板材質(zhì)為7075航空鋁材，厚度=3.0 mm，縱波波速為6 300 m/s，橫波波速為3 080 m/s，密度為2 800 kg/m，由Disperse軟件繪制的SH導(dǎo)波頻散曲線如圖3所示。PPM EMAT中激勵(lì)導(dǎo)波波長(zhǎng)=2，為相鄰永磁體間距，越大，對(duì)應(yīng)越大，檢測(cè)分辨力越低，這不利于缺陷檢測(cè)；設(shè)導(dǎo)波模式=0,1,…，為激勵(lì)頻率，為橫波波速，由=/2可得=1時(shí)，對(duì)應(yīng)的SH導(dǎo)波截止頻率約為0.51 MHz，即對(duì)應(yīng)的最小永磁體間距約為3.0 mm，但在實(shí)際檢測(cè)中應(yīng)保證激勵(lì)頻率盡量遠(yuǎn)離該截止頻率，避免多模態(tài)現(xiàn)象。

圖3 3 mm厚度鋁板SH導(dǎo)波頻散曲線Fig.3 Dispersion curves of SH guided waves in 3 mm thick aluminum plate

考慮到需盡可能地增大線圈換能區(qū)域并保證較強(qiáng)的SH導(dǎo)波信號(hào)及現(xiàn)有永磁體規(guī)格等限制條件，綜合以上因素，選用永磁體間距=7.0 mm。以斜率為2的直線與SH曲線交點(diǎn)(=0.22 MHz, 相速度波速=3.08 mm/μs)為SH模態(tài)導(dǎo)波工作點(diǎn)，此時(shí)激勵(lì)頻率遠(yuǎn)小于SH導(dǎo)波的截止頻率且激勵(lì)信號(hào)的周期數(shù)和永磁體的對(duì)數(shù)相對(duì)較多，從而能得到較為單一的SH導(dǎo)波。板材中SH模態(tài)導(dǎo)波的相速度和群速度不隨頻率的改變而變化，恒等于鋁板中橫波的波速。

1.3 相位編碼脈沖壓縮技術(shù)原理

相位編碼信號(hào)是依據(jù)碼元對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制后發(fā)射的信號(hào)，其通過信號(hào)時(shí)域的非線性調(diào)相達(dá)到展寬信號(hào)頻譜的目的。常見的相位編碼信號(hào)有巴克碼、m序列、Taylor碼等。選擇相位編碼的依據(jù)是自相關(guān)函數(shù)旁瓣幅值足夠小，使主瓣與旁瓣的比值(主旁瓣比)足夠大。在相位編碼中，二相編碼信號(hào)是常用的脈沖壓縮信號(hào)之一，若信號(hào)子脈沖采用矩形包絡(luò)，則其復(fù)包絡(luò)表達(dá)式為

(1)

式中：為子脈沖個(gè)數(shù)；為二進(jìn)制序列；(-)為子脈沖函數(shù)；為時(shí)間；為子脈沖寬度；為編碼信號(hào)的總持續(xù)時(shí)間，=。

與連續(xù)的線性、非線性調(diào)頻信號(hào)不同，相位編碼信號(hào)采用偽隨機(jī)序列，它將寬脈沖分為若干個(gè)等寬度子脈沖，每個(gè)子脈沖的相移僅限于取0、π兩個(gè)數(shù)值。以典型二相編碼信號(hào)的13位巴克碼序列為例，={1 1 1 1 1 -1 -1 1 1 -1 1 -1 1}，由式(1)可得，碼元為正弦函數(shù)的巴克碼信號(hào)如圖4所示。寬度為的脈沖函數(shù)由個(gè)寬度為的子脈沖函數(shù)組成，等效帶寬近似為子脈沖帶寬=1/，即時(shí)寬帶寬積為==。因此選用較長(zhǎng)的二進(jìn)制序列，可得到大的時(shí)寬帶寬積。

圖4 13位巴克碼生成圖Fig.4 Generation diagram of 13-bit Barker code

脈沖壓縮算法選用時(shí)域脈沖壓縮：

(2)

式中：()為輸出信號(hào);()為離散數(shù)字回波信號(hào)；“*”代表卷積運(yùn)算；()為匹配濾波器沖激響應(yīng)函數(shù)；為匹配濾波器沖激長(zhǎng)度。

1.4 相位編碼信號(hào)旁瓣抑制技術(shù)

相位編碼信號(hào)經(jīng)脈沖壓縮處理后，小幅值、大時(shí)寬的信號(hào)變?yōu)榇蠓?、小時(shí)寬的尖脈沖信號(hào)。然而壓縮輸出的尖脈沖信號(hào)往往在主瓣旁存在多個(gè)距離旁瓣，其原因是匹配濾波器在壓縮脈沖信號(hào)寬度外也會(huì)產(chǎn)生響應(yīng)，從而產(chǎn)生距離旁瓣。在多目標(biāo)環(huán)境中強(qiáng)目標(biāo)脈壓信號(hào)的旁瓣往往會(huì)淹沒或干擾附近弱目標(biāo)脈壓信號(hào)主瓣，造成小目標(biāo)難以辨識(shí)或丟失。在實(shí)際應(yīng)用中，必須采用旁瓣抑制技術(shù)抑制旁瓣提高多目標(biāo)分辨能力。抑制旁瓣有效的方法是加權(quán)技術(shù)，即信號(hào)經(jīng)過匹配濾波器處理后級(jí)聯(lián)一個(gè)旁瓣抑制濾波器亦或是重新設(shè)計(jì)匹配濾波器(失配濾波器)降低距離旁瓣。

由于巴克碼具有0、1相間的非周期自相關(guān)特性，自相關(guān)函數(shù)主瓣和旁瓣幾何上相似。以13位巴克碼為例求取其自相關(guān)函數(shù)，如圖5所示。根據(jù)旁瓣時(shí)寬和幅值的一致性，可在時(shí)域上采用一種簡(jiǎn)單的方法抑制旁瓣，13位巴克碼旁瓣抑制加權(quán)網(wǎng)絡(luò)原理圖如圖6所示，圖中為主瓣加權(quán)系數(shù)，(≠0)為旁瓣加權(quán)系數(shù)。

由圖5可得，13位巴克碼的自相關(guān)函數(shù)波形其主瓣旁均勻分布12個(gè)旁瓣，左右各6個(gè)。因此可選用延時(shí)線加權(quán)網(wǎng)絡(luò)抑制旁瓣，將匹配濾波器輸出的信號(hào)經(jīng)過12次延遲，單次延遲時(shí)間為2，將原始輸出信號(hào)與每次延遲后得到的信號(hào)乘上相應(yīng)的加權(quán)系數(shù)后相加，即可達(dá)到消除旁瓣的目的。由于主瓣兩側(cè)的旁瓣呈對(duì)稱分布，因此加權(quán)系數(shù)也對(duì)稱，推導(dǎo)過程見文獻(xiàn)[28]。要求輸出波形主瓣不變(高度為13)，在-12<<12范圍內(nèi)旁瓣為0，則令(0)=13，(2)=(4)=(6)=(8)=(10)=(12)=0；即延遲時(shí)間0～24對(duì)應(yīng)的加權(quán)系數(shù)分別為,,…,,,,…,。

圖5 13位巴克碼自相關(guān)函數(shù)Fig.5 Autocorrelation function for 13-bit Barker code

圖6 13位巴克碼旁瓣抑制加權(quán)網(wǎng)絡(luò)原理圖Fig.6 Schematic diagram for sidelobe suppression weighted network of 13-bit Barker code

應(yīng)用加權(quán)網(wǎng)絡(luò)處理匹配濾波器輸出信號(hào)后得到的結(jié)果如圖7(a)所示，經(jīng)抽頭延時(shí)線加權(quán)網(wǎng)絡(luò)抑制旁瓣后，旁瓣在-12<<12的范圍內(nèi)接近于0，主副比由-22.3 dB提高到-32.4 dB，即主副比提高了10.1 dB，但在||>12時(shí)將會(huì)產(chǎn)生新的旁瓣。

實(shí)際上，12往往難以達(dá)到多目標(biāo)分辨力要求，這時(shí)可根據(jù)實(shí)際需要繼續(xù)增加(減少)延時(shí)線節(jié)數(shù)，將旁瓣的位置繼續(xù)往外(內(nèi))推。同樣保證輸出波形主瓣高度不變，以延遲14次為例，即在-14<<14范圍內(nèi)旁瓣為0，推導(dǎo)過程如式(3) 所示，同上，(0)=13，(2)=(4)=(6)=(8)=(10)=(12)=(14)=0，可得對(duì)應(yīng)的加權(quán)系數(shù)。

圖7 13位巴克碼旁瓣抑制Fig.7 Sidelobe suppression of 13-bit Barker code

(3)

延遲14次得到的結(jié)果如圖7(b)所示。由圖7 可知，隨延時(shí)線節(jié)數(shù)的增加，旁瓣抑制范圍相應(yīng)增大，旁瓣幅值相應(yīng)減小。增加足夠的延時(shí)線節(jié)數(shù)，待抑制的旁瓣幅值可接近于0，這種方法能有效抑制脈壓信號(hào)旁瓣，提高信號(hào)信噪比。

2 鋁合金薄板SH0導(dǎo)波EMAT實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

電磁超聲檢測(cè)系統(tǒng)由任意信號(hào)發(fā)生器AFG-2022B、功率放大器GA-2500A、阻抗匹配器、SH導(dǎo)波EMAT探頭、帶通濾波器、安裝有LabVIEW軟件界面的電腦等組成，如圖8所示，圖中EMAT(T)和EMAT(R)分別代表激勵(lì)端EMAT和接收端EMAT。任意信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生特定時(shí)寬的巴克碼激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)功率放大器得到大幅值激勵(lì)電流，并經(jīng)阻抗匹配后作用于EMAT用于產(chǎn)生超聲波。接收的超聲信號(hào)經(jīng)接收端阻抗匹配、帶通濾波器、前置放大器后，由數(shù)據(jù)采集卡經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換傳送至LabVIEW界面。如式(2)所示，將接收的回波信號(hào)()與匹配濾波器脈沖響應(yīng)()進(jìn)行卷積可得輸出信號(hào)()。信號(hào)同步平均次數(shù)為16次，帶通濾波器設(shè)置為0.1～0.3 MHz。SH導(dǎo)波EMAT探頭中的跑道線圈由柔性紗包線繞制而成，導(dǎo)線直徑為?0.3 mm。周期永磁體序列對(duì)數(shù)為8對(duì)，單個(gè)永磁體尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為20.0 mm×7.0 mm×4.0 mm。

圖8 鋁合金薄板SH0導(dǎo)波EMAT檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)框圖Fig.8 Block diagram of SH0 guided wave EMAT detection system for aluminum alloy sheet

含裂紋的鋁合金薄板和EMAT位置示意圖如圖9所示。鋁板尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)為900.0 mm×900.0 mm×3.0 mm。EMAT線圈為跑道線圈，采用柔性紗包線繞制，可緊貼于試樣表面。置于線圈上的PPM可通過膠帶緊密固定在鋁薄板表面，實(shí)現(xiàn)三者的緊密接觸。在試樣上按從大到小的順序人工預(yù)制4個(gè)U型槽缺陷，U型槽的長(zhǎng)和寬均為10.0 mm和1.0 mm，深度依次為2.00 mm、1.00 mm、0.50 mm和0.25 mm。

圖9 含預(yù)制缺陷的鋁板試樣示意圖Fig.9 Schematic diagram of aluminum plate with prefabricated defects

2.2 不同碼長(zhǎng)巴克碼信號(hào)的脈沖壓縮效果對(duì)比

分別取5位、7位、11位、13位作為激勵(lì)碼長(zhǎng)，其編碼序列如表1所示，碼元為正弦脈沖串，其中心頻率為0.22 MHz。選取SH模態(tài)導(dǎo)波檢測(cè)鋁合金薄板，采用一發(fā)一收兩個(gè)EMAT探頭獲得不同碼長(zhǎng)的脈沖壓縮信號(hào)，去除電磁串?dāng)_信號(hào)和直達(dá)波，將曲線歸一化后得到結(jié)果，如圖10所示。

由圖10可知，5位、7位、11位、13位碼長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的峰值旁瓣電平(PSL)分別為-9.4、-9.5、-11.8、-16.4 dB。即隨著編碼序列長(zhǎng)度增加，主副比也一直增加；但相應(yīng)地距離旁瓣也會(huì)一直增加，這會(huì)嚴(yán)重干擾缺陷回波信號(hào)的判斷。通過實(shí)驗(yàn)得到的超聲脈壓信號(hào)主瓣幅值及主副比與相位編碼脈壓信號(hào)理論增長(zhǎng)趨勢(shì)一致，但主副比的實(shí)驗(yàn)值與理論值存在較大偏差。采用匹配濾波器后級(jí)聯(lián)一個(gè)旁瓣抑制濾波器抑制距離旁瓣，得到的脈壓信號(hào)如圖11所示。

表1 不同碼長(zhǎng)巴克碼編碼序列

由圖11可知，經(jīng)旁瓣抑制處理后的5位、7位、11位、13位碼長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的主副比分別為-24.5、-29.5、-32.0、-36.5 dB。可見經(jīng)旁瓣抑制后脈壓信號(hào)的距離旁瓣大幅降低。即隨著巴克碼編碼長(zhǎng)度增加，輸出脈壓信號(hào)的主旁瓣比呈現(xiàn)非線性增大趨勢(shì)；采用13位巴克碼信號(hào)進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，輸出的脈壓信號(hào)具有最大的主瓣幅值及主旁瓣比，且在時(shí)域內(nèi)應(yīng)用的延時(shí)線加權(quán)網(wǎng)絡(luò)能有效改善距離旁瓣，提高多目標(biāo)分辨能力。

圖10 不同碼長(zhǎng)巴克碼激勵(lì)信號(hào)的脈壓效果對(duì)比Fig.10 Comparison of pulse compression effects of excitation signals of Barker codes with different lengths

圖11 經(jīng)旁瓣抑制后不同碼長(zhǎng)巴克碼信號(hào)脈壓效果對(duì)比Fig.11 Comparison of pulse compression effects of Barker code signals with different lengths after sidelobe suppression

2.3 不同周期載波巴克碼的脈沖壓縮效果分析

為分析不同周期載波巴克碼信號(hào)的脈沖壓縮效果，以13位巴克碼信號(hào)為例，分別選取1～2周期載波巴克碼信號(hào)作為EMAT激勵(lì)信號(hào)，實(shí)驗(yàn)獲得的A掃描信號(hào)如圖12所示?？芍捎脝蝹€(gè)周期載波巴克碼信號(hào)時(shí)，各個(gè)波包均清晰可見；而當(dāng)載波周期數(shù)為2時(shí)，板端回波幅值并未增加，但回波寬度不斷延長(zhǎng)，后續(xù)波包幅值隨著碼元個(gè)數(shù)的增加而提高，激勵(lì)信號(hào)和直達(dá)波出現(xiàn)了部分重疊的情況。經(jīng)過相應(yīng)的匹配濾波器和旁瓣抑制濾波器后，得到脈壓信號(hào)如圖13所示。隨著巴克碼載波周期數(shù)的增加，脈壓信號(hào)主瓣峰值也不斷提高，且主瓣寬度幾乎不變。但載波周期數(shù)為2時(shí)，獲得的脈壓信號(hào)主瓣旁伴有明顯的距離旁瓣，這將在很大程度上影響缺陷的判斷。

圖12 13位巴克碼激勵(lì)的原始A掃描信號(hào)Fig.12 Original A-scan signal excited by 13-bit Barker code

圖13 經(jīng)旁瓣抑制后不同周期數(shù)載波的13位巴克碼激勵(lì)的脈壓信號(hào)Fig.13 Pulse compressed signal excited by 13-bit Barker code with different periodic carriers after sidelobe suppression

2.4 單頻正弦及巴克碼兩種激勵(lì)信號(hào)探傷信噪比對(duì)比

2.4.1 單頻正弦激勵(lì)信號(hào)

單頻正弦信號(hào)的中心頻率=0.22 MHz，周期數(shù)為5，采用脈沖反射法判斷缺陷檢出情況，保持探頭相對(duì)位置不變，具體放置如圖9所示。分別得到4種不同規(guī)格缺陷的A掃描信號(hào)如圖14所示。由圖15可知，長(zhǎng)×寬×深為10.0 mm×1.0 mm×0.25 mm的人工預(yù)制裂紋回波信號(hào)與噪聲水平相差不大，信噪比僅為3.0 dB，在實(shí)際檢測(cè)中難以可靠判定缺陷是否存在。

圖14 單頻正弦信號(hào)激勵(lì)時(shí)不同規(guī)格裂紋的A掃描信號(hào)Fig.14 A-scan signal from defects of different sizes when excited by a single-frequency sinusoidal signal

圖15 10.0 mm×1.0 mm×0.25 mm裂紋超聲回波信號(hào)局部放大(單頻正弦信號(hào))Fig.15 Partial enlarged view of ultrasonic signal of 10.0 mm×1.0 mm×0.25 mm crack (single-frequency sinusoidal signal)

2.4.2 巴克碼脈沖壓縮

選用13位巴克碼作為激勵(lì)信號(hào)，得到的A掃描信號(hào)經(jīng)匹配濾波器和旁瓣抑制濾波器處理后得到的脈沖壓縮信號(hào)如圖16所示，長(zhǎng)×寬×深為10.0 mm×1.0 mm×0.25 mm裂紋的局部放大圖如圖17所示。同單頻信號(hào)計(jì)算信噪比一樣，得出缺陷脈壓信號(hào)信噪比。由圖14和圖16可知：選用巴克碼作為激勵(lì)信號(hào)時(shí)，得到的缺陷回波信號(hào)較單頻正弦激勵(lì)信號(hào)而言信噪比至少提高了7.2 dB；同時(shí)，前者能可靠檢出更小規(guī)格(長(zhǎng)×寬×深為10.0 mm×1.0 mm×0.25 mm)的裂紋。

圖16 巴克碼激勵(lì)信號(hào)下不同規(guī)格缺陷的脈壓信號(hào)Fig.16 Pulse compressed signal from defects of different sizes excited by Barker signal

圖17 10.0 mm×1.0 mm×0.25 mm裂紋超聲回波信號(hào)局部放大(巴克碼信號(hào))Fig.17 Partial enlarged view of ultrasonic signal of 10.0 mm×1.0 mm×0.25 mm crack (Barker code signal)

2.5 EMAT大提離和少同步平均次數(shù)檢測(cè)結(jié)果

為實(shí)現(xiàn)大規(guī)格鋁合金薄板的在線快速掃查并避免EMAT探頭磨損，有必要進(jìn)一步增加EMAT探頭提離和減小信號(hào)同步平均次數(shù)。將厚度為1.0 mm的塑料薄板置于EMAT與待測(cè)金屬薄板之間，并保證EMAT探頭、塑料薄板與試件緊密接觸。此時(shí)激勵(lì)和接收EMAT探頭提離均為1.0 mm，信號(hào)同步平均次數(shù)由16次減小為4次，采用單頻正弦激勵(lì)信號(hào)和13位單周期巴克碼脈沖壓縮得到的缺陷回波信噪比如表2所示?？芍捎冒涂舜a脈沖壓縮技術(shù)可檢出4種規(guī)格的裂紋，但采用單一正弦激勵(lì)信號(hào)無法檢出最小(長(zhǎng)×寬×深為10.0 mm×1.0 mm×0.25 mm)的裂紋。與單一正弦激勵(lì)方式相比，采用巴克碼脈沖壓縮技術(shù)可將缺陷回波的信噪比至少提高5.9 dB。

表2 單頻正弦激勵(lì)信號(hào)和巴克碼激勵(lì)對(duì)應(yīng)的信噪比對(duì)比

3 結(jié) 論

1) 選用較大碼長(zhǎng)的巴克碼信號(hào)激勵(lì)EMAT探頭時(shí)，經(jīng)匹配濾波器和旁瓣抑制濾波器輸出的脈壓信號(hào)幅值較高且主副比較大。經(jīng)旁瓣抑制后，脈壓信號(hào)主瓣旁的距離旁瓣能得到顯著降低，能有效提高多目標(biāo)分辨能力。

2) 多周期載波巴克碼信號(hào)能提高脈壓信號(hào)主瓣峰值，但主瓣脈寬也會(huì)增加，隨之帶來的距離旁瓣增大會(huì)影響缺陷的判斷，檢測(cè)時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際檢測(cè)需要選取合適的載波周期，在保證檢測(cè)距離的同時(shí)盡量降低距離旁瓣帶來的影響。

3) 較單頻正弦激勵(lì)信號(hào)而言，采用巴克碼激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)相位編碼脈沖壓縮技術(shù)處理后，獲得的接收信號(hào)信噪比能得到顯著提高，能檢測(cè)更小規(guī)格(10.0 mm×1.0 mm×0.25 mm)的裂紋。

4) 從大規(guī)格鋁合金薄板的在線快速掃查和避免EMAT探頭磨損的實(shí)際需求出發(fā)，采用巴克碼脈沖壓縮技術(shù)可增加EMAT探頭提離且降低信號(hào)采集同步平均次數(shù)，并能保證較好的缺陷檢測(cè)靈敏度。