袁阿琳，賴迎慶，石 劍，段檢發(fā)，盧 超，石文澤

（1. 中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司，湖南株洲 412000；2. 南昌航空大學無損檢測技術教育部重點實驗室，江西南昌 330063）

0 引 言

鋁板已被廣泛用于航空航天領域[1]，為降低耗油量，大型飛機C919機身的主要材料為航空鋁合金薄板，占了總重量的 70%[2]。鋁板在制造過程中容易產生夾雜、裂紋等缺陷，如果未能及時檢出這些缺陷，其制件在裝機后，在高強度的服役過程中易造成重大事故[3]?，F有的板材檢測技術主要有射線檢測[4]，滲透檢測[5]，渦流檢測[6]，磁粉檢測[6]和超聲檢測[7]。超聲檢測由于靈敏度高、穿透力強、對缺陷形貌評價準確等優(yōu)點，被廣泛用于板材缺陷檢測[7]。齊子誠等[8]開展了鋼板超聲檢測工藝研究，并對鋼板內部不同深度缺陷進行超聲檢測實驗研究，研究結果表明超聲波能有效檢測鋼板內部深度范圍為20～100 mm、內φ5 mm平底孔當量的缺陷。對于大型金屬薄板構件，使用傳統(tǒng)超聲縱波探頭逐點檢測效率低，迫切需要新的檢測方法。超聲導波具有傳播距離遠，檢測范圍廣等優(yōu)點，被廣泛用于板狀構件檢測[9]。周正干等[10]研究過鋁薄板蘭姆波線掃描檢測方法，相比線掃描檢測，導波成像檢測不僅可以提高檢測效率，還可以進行檢出缺陷定位。盧超等[11]采用迭代重建技術重建鋁板中腐蝕缺陷圖像。劉增華等[12]運用雙壓電片激勵單一模態(tài)蘭姆波，結合橢圓成像算法與數據融合方法對有機玻璃薄板進行缺陷成像檢測。然而，傳統(tǒng)的壓電式超聲導波對被檢件表面光潔度要求高，回波信號幅值和掃查速度受耦合效果影響較大，不利于薄板構件的快速檢測。因此，迫切需要一種非接觸式的超聲導波檢測方法用于實現鋁薄板的快速在線高效檢測。

目前，超聲導波的非接觸激勵和接收方式有脈沖激光式、空耦式、電磁式等[9]，但空耦超聲設備和激光超聲設備成本高、技術復雜、信噪比較低。電磁超聲換能器（Elcctromagnctic acoustic transduccr， EMAT）因不需要耦合劑、較粗糙表面也可直接探傷，具有非接觸、容易激發(fā)各種超聲波模式等優(yōu)點[13]而得到廣泛應用。Liu等[14-15]提出了一種新型的定向磁集中器型 EMAT，在鋁薄板中激勵 S0模態(tài)的蘭姆波進行缺陷檢測。LIU等[16-17]設計了一種全向型EMAT，用于在鋁薄板中激勵和接收A0和S0模態(tài)的蘭姆波。將線圈或者永磁體以一定的排布方式組成EMAT陣列，可顯著改善成像質量，凸顯裂紋的位置信息[18]。焦敬品等[19]對蘭姆波EMAT陣列進行了優(yōu)化設計，通過對導波檢測信號的等相位疊加處理，實現了等厚薄鋁板的全周向成像檢測。蘭姆波和表面波在鋁薄板中傳播時，鋁薄板表面質點作橢圓運動，由于大型薄板構件在生產過程中，薄板表面存在附著物，這會導致蘭姆波和表面波快速衰減。水平剪切（Shcar horizontal， SH）導波只有面內位移，不受表面附著物的影響，適合對薄板構件進行快速檢測。Scung等[20]發(fā)展了一種新的EMAT，用于在薄鋁板中產生全向SH導波。劉素貞等[21]分析了SH導波在鋼板中的傳播特性。劉增華等[22]提出了一種的雙線圈全向剪切水平波磁致伸縮貼片換能器激勵SH導波，實現了復合板損傷成像。

由于導波存在頻散現象，導波檢測信號伴隨著多模態(tài)特征，同時EMAT提離距離的變化和環(huán)境噪聲會使得信號信噪比較差，這些導致缺陷回波無法識別，需要對檢測回波信號進行有效的后處理。超聲導波信號具有非平穩(wěn)隨機信號特征，傳統(tǒng)傅里葉變換無法獲取導波信號在某個特定時間區(qū)域的頻譜特性，時頻分析可以同時在時間和頻率方向表征導波信號強度，適合對導波信號進行分析、處理[23]。Daubcchics等[24]提出了一種新的時頻分析工具，稱為同步擠壓小波變換（Synchrosqucczcd Wavclct Transform， SWT）。SWT是小波分析和重新分配技術的結合[25]，具有高時頻分辨率和可逆的特點，對高斯白噪聲干擾具有較好的魯棒性[26]。與S變換、連續(xù)小波變換和經驗模態(tài)分解等時頻分析方法相比，SWT可以較好地改善頻率混疊現象，信號提取效果優(yōu)于其他時頻分析方法[26-27]。由于導波的頻散特性，導波信號會出現多個模態(tài)混疊，導致無法有效識別缺陷回波。Liu等[28]使用SWT對蘭姆波信號進行模式識別和重構，實現了單一蘭姆波模態(tài)的自動提取。在現場檢測過程中，EAMT提離及檢測環(huán)境帶來的噪聲干擾，會使得信號的信噪比較差。胡松濤等[29]采用 SWT去除表面波信號中的強噪聲，實現了提離條件下鋼軌踏面裂紋的快速成像檢測。由于將電磁超聲導波應用于鋁薄板的快速在線檢測存在超聲回波信噪比差、導波模態(tài)多導致分辨率差等問題，因此將高時頻分辨率和可逆特點的SWT應用于導波檢測信號處理具有一定的研究價值。

本文采用Dispcrsc軟件計算了3 mm厚鋁合金薄板的 SH導波頻散曲線，并據此設計制作了 SH導波EMAT；利用Matlab軟件進行信號重構，驗證了SWT在信號去噪和高低階導波信號分離中的應用效果；最后開展了鋁薄板試樣裂紋電磁超聲檢測實驗，以驗證SWT在SH導波A掃信號和B掃檢測中降噪和導波模態(tài)分離的實際應用效果。

1 檢測方法

1.1 周期性永磁體陣列EMAT換能機理

周期性永磁體陣列EMAT （Pcriodic-Pcrmancnt-Magnct Elcctromagnctic Acoustic Transduccr， PPM EMAT）具有一系列周期性交替的磁極，對于應用于鋁薄板檢測的PPM EMAT，洛倫茲力是產生SH導波的主要機制[30]，其換能機理如圖1所示。跑道線圈沿永磁體的周期性方向延伸，在鋁合金薄板表面產生電渦流。電渦流在周期性偏置磁場的作用下，產生平行于鋁薄板表面并垂直于導線方向的洛倫茲力，SH導波的原理如圖2所示。洛倫茲力在鋁薄板中激發(fā)SH導波，SH導波波長為兩倍的永磁體寬度，洛倫茲力Fl為[31]

圖1 洛倫茲力換能機理Fig.1 Conversion mechanism of Lorentz force

圖2 電磁超聲換能器的SH導波激發(fā)原理Fig.2 Principle of SH guided wave excitation by EMAT

其中：Jc為渦流密度；B為靜態(tài)偏置磁感應強度。

1.2 PPM EMAT設計參數

鋁薄板的材料型號為7050，在其中傳播橫波的聲速為3 080 m·s-1，縱波的聲速為6 300 m·s-1，其密度為 2 800 kg·m-3。通過 Dispcrsc軟件，繪制了3 mm厚的鋁薄板的頻散曲線，結果如圖3所示。PPM EMAT的激勵頻率越低，SH導波的波長越大，超聲回波的分辨率也隨之降低。綜合考慮 PPM EMAT的激勵頻率和超聲回波的分辨率，采用永磁體寬度為7 mm的PPM EMAT激勵SH0模態(tài)導波，對鋁薄板進行檢測。在相速度頻散曲線中，繪制紅色實線，根據Cph=λf=2df，紅色實線的斜率即為SH導波波長。斜率為14的紅色實線與SH0的交點為激勵EMAT的工作點，即得到 PPM EMAT的激勵頻率為 0.22 MHz，如圖3（a）所示。由圖3（b）可知，當激勵頻率為0.22 MHz時，SH0導波的群速度為 3 080 m·s-1。

圖3 鋁薄板SH導波頻散曲線Fig.3 Dispersion curves of SH guided waves in aluminium sheet

1.3 SWT信號重構方法

1.4 基于SWT的SH導波模態(tài)分離仿真

由圖3（a）可知，當激勵頻率很高時，會在鋁薄板中同時激勵出高低階SH導波，導致回波信號波包混亂，無法有效識別裂紋回波。使用商業(yè)有限元軟件構建含有0.22和0.4 MHz頻率成分的導波信號來模擬高低模態(tài)導波同時存在的情況，構建的導波信號如圖4所示。對構建的導波信號進行SWT處理，得到的時頻圖如圖5所示。從圖5中可以看出，高階導波信號和低階導波信號在頻率方向產生分離。對時頻圖進行切片分析，提取高階與低階導波信號在頻率方向的同步擠壓變換值Tf（ωl，b），并采用式（5）重建高階與低階導波信號，重建信號如圖6所示。從圖6中可以看出，高階導波信號與低階導波信號完全分離，說明 SWT可以有效地分離導波模態(tài)。

圖4 有限元軟件模擬的導波信號Fig.4 SH guided wave signals simulated by the finite element software

圖5 導波信號的時頻圖Fig.5 Time-frequency diagram of guided wave signal

圖6 高階導波信號與低階導波信號分離Fig.6 Separation of high-order and low-order guided wave signals

1.5 基于SWT的SH導波信號消噪仿真

電磁超聲導波信號容易受到周圍環(huán)境的電磁干擾，信噪比（Signal to noisc ratio， SNR）較差。使用商業(yè)有限元軟件，在低階導波信號中加入信噪比為10 dB 的高斯白噪聲，如圖7（a）所示。從圖7（a）中可以看出，導波信號的信噪比較差，但仍然可以分辨出低階導波信號。對含噪聲的導波信號進行 SWT處理，提取低階導波信號在頻率方向的同步擠壓變換值Tf（ωl，b），并采用式（5） 重構低階導波信號，重構信號如圖7（b）所示。從圖7（b）中可以看出，噪聲被有效去除，低階導波信號的信噪比顯著提高。得到導波信號的時頻圖如圖8（b）所示。從圖8中可以看出，導波信號與噪聲在頻率方向分離，噪聲在高頻范圍聚集分布。

圖7 SWT處理前后信噪比為10 dB的導波信號對比Fig.7 Comparison of guided wave signals with a SNR of 10 dB before and after SWT processing

圖8 含噪聲導波信號的時頻圖Fig.8 Time-frequency spectrum of the guided wave signal with noise

在低階導波信號中加入信噪比為20 dB的高斯白噪聲，波形如圖9（a）所示。從圖9（a）中可以看出，導波信號被噪聲淹沒，無法識別低階導波信號。對含噪聲的導波信號進行 SWT處理，提取低階導波信號在頻率方向的同步擠壓變換值Tf（ωl，b），并采用式（5）重建低階導波信號，重建信號波形如圖9（b）所示。從圖9（b）中可以看出，強噪聲被有效去除，導波信號的信噪比得到了顯著提高。

圖9 SWT處理前后信噪比為20 dB的導波信號對比Fig.9 Comparison of guided wave signals with a SNR of 20 dB before and after SWT processing

2 實驗系統(tǒng)和試樣

鋁薄板裂紋電磁超聲SH導波檢測實驗系統(tǒng)如圖10所示。由信號發(fā)生器（Agilcnt 33220A）產生的激勵脈沖信號經過功率放大器（RITEC GA-2500A）放大后，再通過阻抗匹配網絡，使激勵信號從功率放大器傳輸到激勵EMAT的能量最大化。在洛倫茲力的作用下，鋁薄板中激勵出SH導波，接收EMAT接收到SH導波信號后，通過阻抗匹配網絡使信號幅值最大化，再經過前置放大器（OLYMPUS 5072PR）放大。放大的信號由數據采集卡（ART Tcchnology NET8544）完成模數轉換，然后將其傳輸到計算機以進行信號分析和處理。

圖10 實驗系統(tǒng)框圖圖Fig.10 Block diagram of experimental system

鋁薄板裂紋電磁超聲SH導波檢測的布設圖如圖11所示，人工直裂紋的長度為10 mm，寬度為1 mm，垂直深度為2 mm。激勵EMAT與接收EMAT布置在缺陷的同一側，鋁薄板左端面距直裂紋200 mm，直裂紋到接收EMAT的距離為300 mm，激勵 EMAT與接收 EMAT間距為 200 mm，激勵EMAT距鋁薄板右端面200 mm。激勵與接收EMAT采用匝數為50的跑道線圈，線圈間距為0.35 mm，跑道線圈的長、寬分別為40和80 mm，單根線圈的外徑為0.35 mm。激勵與接收EMAT均使用8對永磁體，單個永磁體的長、寬、高分別為20、7、5 mm。激勵與接收 EMAT 沿平行于裂紋的方向進行檢測，激勵 EMAT的激勵頻率為 0.22 MHz。每隔 3 mm 采集一組 A 掃回波數據，采樣頻率為40 MHz，同步平均次數為64，共采集61組數據。

圖11 薄板直裂紋SH導波檢測的布設圖Fig.11 Layout of SH guided wave detection of straight cracks in sheets

3 檢測結果與分析

3.1 鋁薄板試樣中直裂紋電磁超聲B掃成像檢測

當激勵與接收EMAT提離距離為0.1 mm時，采集的A掃回波信號如圖12所示，從圖12中可以明顯看到直達波、裂紋回波和兩個端面回波，直達波幅值為1 995 mV，裂紋回波幅值為149 mV。采用電磁超聲SH導波可實現900 mm長度范圍內裂紋的快速檢測，相比于傳統(tǒng)的超聲縱波逐點檢測，極大地提高了檢測效率。圖13為薄板直裂紋對應的基于幅值的B掃描圖像。從圖13中可以直觀地得到裂紋的位置信息，實現了 900 mm×180 mm范圍內的成像檢測，相比于逐個分析SH導波信號，B掃描檢測的效率更高。由于SH導波在鋁薄板中傳播的過程中，鋁合金薄板是全截面振動，當激勵與接收EMAT正對直裂紋時，裂紋回波幅值最大。由圖13還可知道，當激勵與接收EMAT移動75 mm時，激勵EMAT、接收EMAT和直裂紋的正中心在同一條直線上。

圖12 EMAT提離0.1 mm和激勵頻率為0.22 MHz時鋁薄板中的SH導波信號Fig.12 SH guided wave signal in aluminium sheet when EMAT lifts by 0.1 mm and its excitation frequency is 0.22 MHz

圖13 EMAT提離0.1 mm時SH導波信號對鋁薄板B掃描檢測結果Fig.13 B-scan detection result of the SH guided wave signal for aluminium sheet when EMAT lifts by 0.1 mm

3.2 鋁薄板試樣中直裂紋大提離B掃描檢測

由于鋁薄板在生產過程中，薄板表面會有表面附著物，因此，有必要增加激勵與接收EMAT的提離距離。當激勵與接收EMAT提離距離為2 mm，激勵EMAT的激勵頻率為 0.22 MHz、同步平均次數為64時，采集到的SH導波信號如圖14所示。從圖12和圖14中可以看出，隨著激勵與接收EMAT提離距離的增加，直達波的幅度由1 995 mV下降到 131 mV，回波信號幅度急劇下降，但仍可以清楚地分辨出裂紋回波。激勵與接收EMAT提離距離為2 mm時，得到的B掃描圖如圖15所示，從圖15中可以看出，雖然SH導波信號幅度急劇下降，但B掃描圖仍能清楚地顯示裂紋回波的位置信息。

圖14 EMAT提離2 mm和激勵頻率為0.22 MHz時鋁薄板中的SH導波信號（64組數據平均）Fig.14 SH guided wave signal in aluminium sheet when EMAT lifts by 2 mm and its excitation frequency is 0.22 MHz (average of 64 data sets)

圖15 EMAT提離2 mm時SH導波信號對鋁薄板B掃描檢測結果（64組數據平均）Fig.15 B-scan detection result of SH guided wave signal for aluminium sheet when EMAT lifts by 2 mm (average of 64 data sets)

3.3 SWT在大提離快速成像檢測中的應用

當激勵與接收EMAT提離距離為2 mm、激勵EMAT的激勵頻率為 0.22 MHz、同步平均次數為64，B掃描圖質量很好，但64次同步平均需要時間較長，不利于鋁薄板的快速檢測。為實現鋁薄板的快速B掃描檢測，只采集一次，使用SWT對原始信號進行消噪處理。單次采集得到的SH導波信號，如圖16所示。從圖16中可以看出，單次采集使得SH導波信號出現大量隨機噪聲，裂紋回波被噪聲淹沒，無法辨別裂紋回波。采用SWT對單次采集信號進行處理，得到的時頻圖如圖17所示。從圖17中可知，SH0導波信號主頻成分為0.22 MHz，通過式（4）將時頻譜值向中心位置擠壓后，SH0導波信號與噪聲在頻率方向分離，時頻曲線更加精細。

圖16 EMAT提離2 mm和激勵頻率為0.22 MHz時單次采集的鋁薄板中SH導波信號Fig.16 The single collected SH guided wave signal in aluminium sheet when EMAT lifts by 2 mm and its excitation frequency is 0.22 MHz

圖17 相應的單次采集的SH導波信號的SWT時頻圖Fig.17 SWT time-frequency spectrum of the corresponding single collected SH guided wave signal

提取SH0導波信號在頻率方向的同步擠壓變換值Tf（ωl，b），并采用式（5）重建A掃信號，結果如圖18所示，由圖可見重建信號清楚地顯示了裂紋回波。當激勵信號的脈沖重復頻率為20 Hz時，64次同步平均采集超聲回波信號所需時間為3.2 s，單次采集并使用SWT處理所需時間為0.05 s。SWT可以顯著提高檢測效率，實現鋁薄板傷損的快速檢測。

圖18 SWT重建的SH導波信號Fig.18 The SH guided wave signal after SWT processing

當激勵與接收EMAT提離距離為2 mm時，采用無同步平均單次采集，進行B掃描，共采集61組數據，結果如圖19所示。從圖19中可以看出，B掃描圖背景噪聲太大，無法準確獲取裂紋的位置信息。經過SWT處理并重建的圖像如圖20所示。從圖20中可以看出，噪聲被有效去除，清晰地顯示了人工裂紋在鋁合金薄板的位置信息，實現了900 mm×180 mm范圍內的快速成像檢測。

圖19 EMAT提離2 mm單次采集的SH導波信號對鋁薄板B掃描檢測結果Fig.19 B-scan detection result of the single collected SH guided wave signal for aluminium sheet when EMAT lifts by 2 mm

圖20 SWT處理后對應的B掃描檢測結果Fig.20 The corresponding B-scan detection result after SWT processing

3.4 SWT在模態(tài)分離中的應用

在實際現場檢測中，為獲得更好的波包分辨率，需要提高激勵EMAT的激勵頻率。當激勵與接收EMAT提離距離為0.1 mm，激勵EMAT的激勵頻率為0.55 MHz、同步平均次數為64時，得到的SH導波信號如圖21所示。從圖21中可以看出，SH導波信號中波包發(fā)生了混疊，無法辨別裂紋回波。采用SWT對SH導波信號進行處理，得到的時頻圖如圖22所示。從圖22可知，低階SH導波和高階SH導波模態(tài)在頻率方向分離。

圖21 EMAT提離距離為0.1 mm和激勵頻率為0.55 MHz時鋁薄板中的多模態(tài)SH導波信號Fig.21 Multi-modal SH guided wave signal in aluminium sheet when EMAT lifts by 0.1 mm and its excitation frequency is 0.55 MHz

圖22 相應的多模態(tài)SH導波信號的SWT時頻圖Fig.22 SWT time-frequency spectrum of the corresponding multi-modal SH guided wave signal

提取SH低階與高階SH導波信號在頻率方向的同步擠壓變換值Tf（ωl，b），并采用式（5）重建 SH導波信號，重建信號如圖23所示。從圖23中可知，低階和高階SH導波信號分離有效，圖23（a）中清楚地顯示了裂紋回波。圖21中裂紋回波波包的時間長度為 65 μs，圖23（a）中裂紋回波波包的時間長度為 50 μs。因此，高頻激勵可以顯著提高波包分辨率，SWT可有效分離高階與低階SH導波。

圖23 SWT處理后鋁薄板中分離的高階與低階導波信號Fig.23 High-order and low-order guided wave signals in aluminium sheet separated by SWT processing

4 結 論

通過以上分析，得到結論如下：

（1） SH0導波能夠有效地檢出3 mm鋁薄板試樣中10 mm長、1 mm寬、2 mm深的人工直裂紋，利用B掃描可以獲取裂紋的位置信息。

（2） 激勵與接收EMAT提離會對SH導波信號幅度有較大影響，裂紋SH導波幅度隨著提離距離增大而急劇下降。當激勵與接收EMAT提離距離為2 mm，同步平均次數為64時，利用B掃描仍然可以獲得試樣中直裂紋的位置信息。

（3） 當激勵與接收 EMAT提離距離為 2 mm、單次采集時，來自裂紋的SH導波信號被噪聲淹沒，無法有效識別出裂紋SH導波信號，此時單次采集信號形成的B掃描圖背景噪聲很大，無法獲取裂紋位置信息。對單次采集信號進行SWT處理并重建A掃信號后，重建信號可清楚顯示裂紋回波，此時B掃描圖可清晰地顯示了試樣中直裂紋的位置信息。

（4） 當激勵EMAT采用較高的激勵頻率時，接收信號中會同時存在低階與高階SH導波信號，無法辨別來自試樣中直裂紋的 SH導波信號。利用SWT可有效分離低階與高階SH導波信號，進而可以識別來自試樣中直裂紋的SH導波信號。