劉繼倫 劉素貞 金 亮 張 闖 楊慶新

（1.省部共建電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（河北工業(yè)大學(xué)）天津 300130 2.河北省電磁場(chǎng)與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（河北工業(yè)大學(xué)）天津 300130）

0 引言

腐蝕減薄和裂紋是石油、化工、核電等領(lǐng)域大口徑厚壁管道失效事故的主要誘因。對(duì)這兩類(lèi)缺陷同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于管道內(nèi)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和可靠性評(píng)估具有重要意義[1-2]。橫波電磁超聲換能器（Electromagnetic Acoustic Transducer,EMAT）在檢測(cè)金屬厚度時(shí)具有較高的靈敏度[3-4]，而且與壓電超聲相比，EMAT 具有無(wú)需耦合劑、無(wú)需對(duì)試件表面進(jìn)行預(yù)處理的特性，可用在高溫、在線(xiàn)等惡劣環(huán)境[5-9]，適合于管道檢測(cè)[10]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在橫波電磁超聲單獨(dú)測(cè)厚或缺陷檢測(cè)方面已有不少研究。目前測(cè)厚研究主要集中在優(yōu)化參數(shù)、提高換能效率方面。文獻(xiàn)[11]提出一種軸對(duì)稱(chēng)多磁體結(jié)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)橫波EMAT 的偏置磁場(chǎng)，提高了橫波模式純度和信號(hào)強(qiáng)度并用于厚度檢測(cè)。文獻(xiàn)[12]采用正弦波對(duì)橫波電磁超聲換能器進(jìn)行激勵(lì)，分析了頻率脈寬和提離距離對(duì)鋼板測(cè)厚的影響，結(jié)果表明當(dāng)激勵(lì)頻率和EMAT 固有頻率相同時(shí)其換能效率最高。文獻(xiàn)[13]通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)橫波EMAT的線(xiàn)圈進(jìn)行優(yōu)化，指出激勵(lì)電流的頻率和線(xiàn)圈的尺寸對(duì)橫波的傳播特性有明顯影響。文獻(xiàn)[14]分析了多層螺旋線(xiàn)圈橫波EMAT 的參數(shù)對(duì)換能效率和橫波純度的影響，并給出了最佳參數(shù)組合。文獻(xiàn)[15]采用三通道EAMT，研制了一種用于管道內(nèi)檢測(cè)的電磁超聲在線(xiàn)測(cè)厚系統(tǒng)，測(cè)厚范圍達(dá)8～35mm。文獻(xiàn)[16]利用線(xiàn)性調(diào)頻脈沖激勵(lì)換能器，把脈沖壓縮處理技術(shù)應(yīng)用到EMAT 測(cè)厚中，增大了接收信號(hào)的信噪比。

以上測(cè)厚方法在單獨(dú)測(cè)厚方面取得了較好效果，其采用的垂直入射的脈沖回波模式，也常用于檢測(cè)平行于檢測(cè)面的缺陷（如夾層、折疊等），但無(wú)法有效檢測(cè)與檢測(cè)面垂直的裂紋。文獻(xiàn)[17]建立了厚鋁板底部面狀缺陷、收發(fā)一體橫波EMAT 的二維有限元模型，利用正交試驗(yàn)對(duì)磁鐵和線(xiàn)圈結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化后，缺陷回波信號(hào)的幅值得到了提高。文獻(xiàn)[18]指出，對(duì)于開(kāi)口寬度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的底面裂紋缺陷，垂直入射橫波的反射能量低，故無(wú)法檢測(cè)垂直裂紋。

常規(guī)檢測(cè)垂直裂紋缺陷的方法是橫波斜射法。文獻(xiàn)[19]開(kāi)發(fā)了基于電磁超聲斜入射橫波的厚壁管道裂紋檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)裂紋進(jìn)行有效檢測(cè)。文獻(xiàn)[20]提出基于EMAT 斜入射SH 波的厚壁管道檢測(cè)方法，對(duì)厚壁管道內(nèi)壁不同深度的裂紋進(jìn)行檢測(cè)。文獻(xiàn)[21]提出了通過(guò)測(cè)量幾個(gè)斜角入射橫波反射到達(dá)時(shí)間確定裂紋狀缺陷大小的方法。文獻(xiàn)[22]分析了腐蝕形成的小傾角斜面裂紋缺陷對(duì)電磁超聲橫波的影響，指出橫波電磁超聲換能器在斜面缺陷測(cè)量中產(chǎn)生誤差的原因是斜面反射回波產(chǎn)生的聲時(shí)差異。雖然橫波斜射法可以方便地檢測(cè)與檢測(cè)面垂直的裂紋，但傾斜入射方式無(wú)法檢測(cè)材料厚度。

因此，常規(guī)的垂直入射的橫波換能器在測(cè)厚時(shí)具有較高靈敏度，但檢測(cè)垂直裂紋時(shí)，需要更換斜入射波的探頭，單個(gè)換能器無(wú)法同時(shí)進(jìn)行這兩種檢測(cè)。這不僅增加了檢測(cè)成本，而且檢測(cè)效率低，不利于在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。

復(fù)合檢測(cè)是實(shí)現(xiàn)厚度和裂紋缺陷同時(shí)檢測(cè)的有效途徑。文獻(xiàn)[23]提出將電磁超聲與渦流檢測(cè)相結(jié)合，在利用電磁超聲測(cè)厚的同時(shí)，通過(guò)線(xiàn)圈拾取漏磁和渦流信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)管道裂紋缺陷的檢測(cè)。文獻(xiàn)[24]將超聲測(cè)厚和導(dǎo)波檢測(cè)相結(jié)合，提出一種螺旋型和回折型線(xiàn)圈的復(fù)合式電磁超聲換能器，采取硬件分時(shí)復(fù)用的方式實(shí)現(xiàn)了定點(diǎn)超聲橫波測(cè)厚與周向Lamb 波對(duì)管道缺陷的一次性快速掃查，取得了較好的效果。然而上述兩種方法適合于薄壁結(jié)構(gòu)的測(cè)厚和裂紋缺陷的檢測(cè)，無(wú)法對(duì)厚壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)。

因此，需要研究設(shè)計(jì)新的電磁超聲換能器，以滿(mǎn)足同時(shí)檢測(cè)厚壁管道結(jié)構(gòu)的厚度和裂紋的需要。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文采用復(fù)合檢測(cè)思路，利用橫波EMAT 方向性好、穿透能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合線(xiàn)圈設(shè)計(jì)的靈活性，設(shè)計(jì)了一種正交橫波EMAT。該換能器同時(shí)激發(fā)兩個(gè)垂直入射的正交偏振橫波，利用反射波幅值的差異與橫波偏振方向的關(guān)系，通過(guò)一次檢測(cè)同時(shí)進(jìn)行測(cè)厚、裂紋及裂紋方向的檢測(cè)。與常規(guī)橫波斜入射檢測(cè)裂紋的方法不同之處在于，該方法通過(guò)垂直入射的兩個(gè)正交橫波既可檢測(cè)垂直裂紋，還可解決現(xiàn)有復(fù)合導(dǎo)波換能器無(wú)法有效進(jìn)行厚壁底面裂紋檢測(cè)問(wèn)題。

本文采用有限元軟件對(duì)該換能器聲場(chǎng)和激發(fā)過(guò)程進(jìn)行三維建模仿真，分析了線(xiàn)圈間距、裂紋尺寸對(duì)于正交橫波聲場(chǎng)的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證正交偏振橫波EMAT 同時(shí)進(jìn)行測(cè)厚和裂紋檢測(cè)的可行性。

1 正交橫波EMAT 工作原理

1.1 正交橫波EMAT 換能機(jī)理

相對(duì)于大口徑管道結(jié)構(gòu)，換能器尺寸較小，可將檢測(cè)簡(jiǎn)化為平板測(cè)厚和底面裂紋檢測(cè)。正交偏振橫波EMAT 示意圖如圖1 所示。圖1 中，正交偏振橫波EMAT 包含兩個(gè)正交的蝶形線(xiàn)圈A 和B，置于永磁體底部，線(xiàn)圈A 位于線(xiàn)圈B 的下方。換能器的有效孔徑為線(xiàn)圈中心處的正方形區(qū)域（兩個(gè)線(xiàn)圈中間的垂直和水平交叉部分）。鋁板中，產(chǎn)生電磁超聲的主導(dǎo)因素是洛侖茲力。由于永磁體的垂直磁場(chǎng)穿過(guò)該區(qū)域，該區(qū)域下方試件趨膚層內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)受到平行于xOy平面的洛侖茲力。

當(dāng)?shù)尉€(xiàn)圈A 中通入高頻電流時(shí)，材料的表面會(huì)感應(yīng)出與線(xiàn)圈電流方向相反的感應(yīng)渦流，感應(yīng)渦流在靜態(tài)偏置磁場(chǎng)和交變磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生洛侖茲力，使趨膚層質(zhì)點(diǎn)發(fā)生水平（x軸）方向的高頻振動(dòng)，產(chǎn)生一個(gè)x軸方向偏振的橫波。同理，蝶形線(xiàn)圈B（相對(duì)線(xiàn)圈A 旋轉(zhuǎn)90?）通入高頻電流時(shí)，由于洛侖茲力作用質(zhì)點(diǎn)發(fā)生沿y軸方向的振動(dòng)，產(chǎn)生具有y軸方向偏振的附加橫波，這樣便形成了一對(duì)正交偏振橫波，如圖1b 所示。

平行于x軸和平行于y軸的洛侖茲力大小可以簡(jiǎn)化為[8]

式中，fx(L)為平行于x軸的洛侖茲體積力；fy(L)為平行于y軸的洛侖茲體積力；B0z為垂直于試件表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度；HxM、HyM分別為試件內(nèi)的磁場(chǎng)強(qiáng)度x方向分量和y方向分量。分別產(chǎn)生x方向偏振的橫波和y方向偏振的橫波。

當(dāng)線(xiàn)圈尺寸小于永磁體時(shí)，渦流區(qū)域的磁感應(yīng)強(qiáng)度x方向、y方向分量B0x、B0y較小，所以傳感器產(chǎn)生的縱波能量相比橫波很小，檢測(cè)中可以忽略縱波的影響。

正交偏振橫波從表面垂直射入鋁板，沿厚度方向（z軸）傳播，經(jīng)底面反射后，回波信號(hào)由收發(fā)一體的EMAT 接收，接收過(guò)程是上述過(guò)程的逆過(guò)程。

此外，一般情況下，當(dāng)兩個(gè)接近的線(xiàn)圈同時(shí)通入高頻脈沖激勵(lì)時(shí)，線(xiàn)圈間互感引起的相互干擾不容忽視。而本文的正交線(xiàn)圈中，當(dāng)線(xiàn)圈A 通入高頻電流iA時(shí)，在線(xiàn)圈A 中間導(dǎo)線(xiàn)兩側(cè)矩形框內(nèi)的磁鏈方向相反。而線(xiàn)圈B 相對(duì)線(xiàn)圈A 旋轉(zhuǎn)90?，交鏈到線(xiàn)圈B 中間導(dǎo)線(xiàn)兩側(cè)矩形框內(nèi)的互感磁鏈ΨBA，正負(fù)抵消?？芍?，線(xiàn)圈A 與線(xiàn)圈B 的互感MBA=ΨBA/iA=0?；ジ须妱?dòng)勢(shì)和互感電流也為0，兩個(gè)線(xiàn)圈相互不干擾。實(shí)驗(yàn)中的EMAT 兩個(gè)正交線(xiàn)圈有一定寬度，使得互感磁鏈不能完全抵消，但高頻互感非常小，兩個(gè)線(xiàn)圈相互作用可忽略不計(jì)。

1.2 正交橫波EMAT 厚度和裂紋檢測(cè)基本原理

洛侖茲力fL作用下鋁板中質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程為

式中，G、κ為拉梅常數(shù)；u為位移；ρ為體密度。

設(shè)fx(L)、fy(L)激勵(lì)的兩列沿z軸垂直入射的正交線(xiàn)性偏振橫波為ux(z,t)、uy(z,t)。與鋁板底部裂紋作用后并經(jīng)后壁反射的反射波為。底部裂紋與y軸的夾角為θN，鋁板上表面到后壁距離為L(zhǎng)，如圖2 所示。

圖2 正交偏振橫波測(cè)厚和裂紋檢測(cè)示意圖 Fig.2 Schematic of orthogonal shear waves for thickness measurement and crack detection

為簡(jiǎn)化分析，假設(shè)入射偏振橫波均是初相位為0?的簡(jiǎn)諧波，且傳播中無(wú)衰減，則

式中，A0為振幅；λ為波長(zhǎng)。

由橫波偏振原理可知，當(dāng) 0≤θN≤90?時(shí)，反射波。

式中，Mx、My為反射波幅值。

式（10）為兩個(gè)正交偏振橫波的反射回波幅值之差與裂紋角度的關(guān)系。

特別地，當(dāng)θN=0?時(shí)，垂直于y軸的橫波ux(z,t)無(wú)法通過(guò)裂紋，后壁反射波幅值Mx=0，而平行于y軸的橫波uy(z,t)則穿過(guò)裂紋，后壁反射波幅值My=A0。

同理，當(dāng)θN=90?時(shí)，Mx=A0，My=0。

當(dāng)無(wú)裂紋時(shí)，Mx=A0，My=A0。

由此可見(jiàn)，兩個(gè)垂直入射的正交偏振橫波的反射回波幅值可以用于檢測(cè)底部裂紋狀缺陷的存在及裂紋的方向，同時(shí)，通過(guò)計(jì)算垂直入射橫波回波信號(hào)的飛行時(shí)間（Time of Flight，ToF）進(jìn)行厚度測(cè)量，以實(shí)現(xiàn)厚度和裂紋的同時(shí)檢測(cè)。

2 正交橫波EMAT 仿真分析

2.1 正交橫波EMAT 模型

為了研究?jī)蓚€(gè)正交偏振的橫波的聲場(chǎng)分布以及與裂紋缺陷的相互作用，采用多物理場(chǎng)仿真軟件Comsol Multiphics 建立正交橫波電磁超聲換能器三維有限元模型如圖3 所示。該模型由永磁體、線(xiàn)圈A、線(xiàn)圈B、鋁板、空氣組成（圖中略去了空氣場(chǎng)）。

圖3 EMAT 的三維有限元模型示意圖 Fig.3 Schematic of 3D FE for EMAT

為簡(jiǎn)化計(jì)算，只對(duì)線(xiàn)圈的有效檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行建模，蝶形線(xiàn)圈A、B 簡(jiǎn)化為相互垂直的12 根直導(dǎo)線(xiàn)。線(xiàn)圈A 的導(dǎo)線(xiàn)平行于y軸，關(guān)于y軸對(duì)稱(chēng)且等間距分布。線(xiàn)圈B 的導(dǎo)線(xiàn)平行于x軸，關(guān)于x軸對(duì)稱(chēng)且等間距分布。永磁體為方形釹鐵硼磁鐵。兩個(gè)線(xiàn)圈采用雙層印制電路板（Printed Circuit Board,PCB）工藝設(shè)計(jì)。

為了研究不同角度的裂紋對(duì)聲場(chǎng)的影響，需要保證鋁板側(cè)面邊界關(guān)于z軸對(duì)稱(chēng)，故試件設(shè)置為圓柱形。同時(shí)為避免側(cè)面反射對(duì)波形的影響，圓柱側(cè)面設(shè)置為低反射邊界條件。在鋁板底部設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)為12mm、寬為0.5mm、高為5mm 的矩形槽口來(lái)模擬裂紋缺陷，改變裂紋與線(xiàn)圈夾角來(lái)模擬裂紋的方向。

線(xiàn)圈A、B 中的激勵(lì)電流采用頻率為1MHz、峰值為20A 和周波數(shù)為3 的Tone-burst 信號(hào)，EMAT仿真模型參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 EMAT 仿真模型參數(shù) Tab.1 Parameters of EMAT simulation model

（續(xù)）

由于EMAT 接收是激發(fā)的逆過(guò)程，線(xiàn)圈A 產(chǎn)生橫波的偏振方向平行于x軸，線(xiàn)圈B 產(chǎn)生橫波偏振方向平行于y軸，故在線(xiàn)圈有效檢測(cè)區(qū)下方鋁板內(nèi)選取點(diǎn)M（0 mm,0 mm,-0.1mm），通過(guò)該點(diǎn)沿不同方向的歸一化位移分量來(lái)模擬EMAT 不同偏振方向的回波接收，即用位移場(chǎng)u分量代表線(xiàn)圈A 的接收信號(hào)，位移場(chǎng)v分量代表線(xiàn)圈B 的接收信號(hào)。

2.2 仿真結(jié)果與分析

2.2.1 正交橫波EMAT 聲場(chǎng)與裂紋的相互作用

對(duì)于底面無(wú)裂紋的完好鋁板，正交橫波EMAT兩個(gè)線(xiàn)圈A、B 產(chǎn)生的橫波仿真結(jié)果如圖4a 所示，圖為M點(diǎn)的位移u、v分量的歸一化幅值信號(hào)。從圖4 可以看出，u、v分量的歸一化值完全相同。

圖4 M 點(diǎn)的位移場(chǎng)u、v 分量的歸一化值 Fig.4 Normalized time-trace of u and v components of the displacement at point M

由兩個(gè)波峰值的ToF 計(jì)算得出超聲波的速度為2 920m/s，與橫波理論聲速3 121m/s 的相對(duì)誤差約為6%。通過(guò)更細(xì)的網(wǎng)格剖分可減小誤差但會(huì)大幅增加仿真時(shí)長(zhǎng)。通過(guò)聲速對(duì)比可知兩個(gè)相互正交的蝶形線(xiàn)圈產(chǎn)生的超聲波是兩個(gè)沿厚度方向傳播的橫波。

對(duì)于底面含裂紋缺陷的鋁板，當(dāng)裂紋面與x軸垂直時(shí)（設(shè)此時(shí)裂紋方向角為0?），線(xiàn)圈A 產(chǎn)生的橫波偏振方向與裂紋面垂直，線(xiàn)圈B 的橫波偏振方向與裂紋面平行，M點(diǎn)的歸一化幅值信號(hào)如圖4b 所示。位移v分量的幅值與無(wú)裂紋時(shí)信號(hào)幅值相比沒(méi)有變化，ToF 也無(wú)變化；而u分量ToF 無(wú)變化，但幅值為 0.05(pu)，降低至約為無(wú)裂紋時(shí)信號(hào)幅值0.33(pu)的15%。

底面含裂紋鋁板反射回波位移場(chǎng)云圖如圖5 所示。從位移場(chǎng)云圖看，對(duì)于底面無(wú)裂紋的鋁板，位移場(chǎng)u、v分量云圖基本相同。而對(duì)于底面含裂紋的鋁板，xOz截面上位移場(chǎng)u、v分量的云圖（t=11.5μs時(shí)）差異很大。

圖5 底面含裂紋鋁板反射回波位移場(chǎng)云圖 Fig.5 Displacement component of the reflected shear waves when the back-wall has a notch in it

結(jié)合圖4、圖5 分析得：①由于線(xiàn)圈A 產(chǎn)生的入射橫波偏振方向與裂紋面垂直，反射回波位移的u分量在裂紋處發(fā)生了很大的散射，導(dǎo)致幅值降低，而線(xiàn)圈B 產(chǎn)生的橫波偏振方向與裂紋面平行，反射回波位移的v分量幾乎不受裂紋的影響。②底面裂紋造成了兩個(gè)正交線(xiàn)圈回波信號(hào)時(shí)域幅值差異很大，而ToF 不變。因此，利用ToF 測(cè)量厚度的同時(shí)，可以通過(guò)兩線(xiàn)圈回波幅值差判斷裂紋存在。

進(jìn)一步分析裂紋方向?qū)€(xiàn)圈回波信號(hào)幅值的影響。設(shè)裂紋面與A 線(xiàn)圈的夾角為θ，則與B 線(xiàn)圈的夾角為90?-θ，θ取值0～90?，步進(jìn)角度為5?進(jìn)行仿真，圖6 為θ分別取值0?、30?、90?時(shí)位移場(chǎng)u分量的歸一化值。可見(jiàn)θ取值變化時(shí)，回波信號(hào)u分量的ToF 不變，而幅值隨著θ取值的變化而變化。

圖6 位移場(chǎng)u 分量的歸一化值（θ=0?,30?,90?）Fig.6 Normalized time-trace of u component of the displacement(θ=0?,30?,90?)

通過(guò)位移u、v分量幅值差歸一化值隨裂紋方向變化來(lái)考察A、B 線(xiàn)圈的反射回波信號(hào)的幅值差與裂紋方向的關(guān)系。仿真結(jié)果如圖7 所示。當(dāng)0＜θ＜45?時(shí)，v分量幅值大于u分量幅值，且兩者幅值差的絕對(duì)值隨著θ的增大而減小；當(dāng)45?＜θ＜90?時(shí)，v分量幅值小于u分量幅值，且幅值差的絕對(duì)值隨著θ的增大而增大。在θ=45?附近，兩者幅值差約等于0。

圖7 u、v 分量幅值差歸一化值與裂紋角度θ 的關(guān)系 Fig.7 Amplitude difference of u and v components vs.θ

由仿真可得，u分量與v分量的幅值差與裂紋方向呈現(xiàn)單調(diào)的規(guī)律性關(guān)系，這與1.2 節(jié)中推導(dǎo)的關(guān)系式（式（10））基本吻合?？梢愿鶕?jù)A、B 線(xiàn)圈的反射回波信號(hào)的幅值差與θ的對(duì)應(yīng)關(guān)系，來(lái)確定裂紋的方向。

2.2.2 正交EMAT 聲場(chǎng)的對(duì)稱(chēng)性

由第1 節(jié)可知，裂紋檢測(cè)和裂紋角度的確定依賴(lài)A、B 的相對(duì)幅值差。然而該幅值差受到A、B 線(xiàn)圈產(chǎn)生聲場(chǎng)的對(duì)稱(chēng)性的影響。盡管兩個(gè)正交線(xiàn)圈在無(wú)裂紋鋁板中接收的信號(hào)歸一化值相同（幅值差為0），而實(shí)際上線(xiàn)圈間距的存在使得兩個(gè)線(xiàn)圈提離距離不同，激發(fā)的正交橫波聲場(chǎng)和幅值有所不同。聲場(chǎng)對(duì)稱(chēng)性對(duì)于減小檢測(cè)誤差非常重要，有必要分析聲場(chǎng)的對(duì)稱(chēng)性及影響因素。

分析正交線(xiàn)圈聲場(chǎng)的對(duì)稱(chēng)性。線(xiàn)圈間距（A、B線(xiàn)圈沿z軸方向的間距）d1=0.3mm 時(shí)，考察質(zhì)點(diǎn)位移場(chǎng)分布。過(guò)M點(diǎn)做與鋁板表面平行的截面（z= -0.1mm）。圖8 為t=2.2μs 時(shí)截面上質(zhì)點(diǎn)位移云圖。由圖8 可知，位移場(chǎng)關(guān)于與x軸正向夾角為135?的直線(xiàn)基本呈對(duì)稱(chēng)分布。

圖8 z=-0.1mm 截面位移場(chǎng)云圖 Fig.8 Distribution of displacement amplitude field (z=-0.1mm)

考察線(xiàn)圈間距對(duì)聲場(chǎng)對(duì)稱(chēng)性的影響。保持線(xiàn)圈A 提離距離不變，設(shè)置線(xiàn)圈間距d1（也即雙層電路板厚度）分別為0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm 進(jìn)行仿真，截面內(nèi)以M點(diǎn)為中心半徑R=4mm的圓上各質(zhì)點(diǎn)在t=2.2μs 時(shí)刻總位移歸一化分布線(xiàn)如圖9 所示。d1越小，兩個(gè)橫波偏振的合成方向越接近 135?對(duì)稱(chēng)軸。d1=0.3mm 的對(duì)稱(chēng)程度最好，d1=0.7mm 的對(duì)稱(chēng)性最差。

圖9 截面圓周上各質(zhì)點(diǎn)總位移分布線(xiàn)圖 Fig.9 Line diagram of the normalized displacement on the circle(R=4mm,z=-0.1mm)

提取d1=0.3mm,0.4mm,0.5mm,0.6mm,0.7mm時(shí)M點(diǎn)處的位移場(chǎng)的u分量和v分量，兩者幅值差與線(xiàn)圈間距的關(guān)系如圖10 所示。可見(jiàn)兩個(gè)正交偏振橫波的幅值差隨著兩個(gè)線(xiàn)圈間距增大而增大。減小線(xiàn)圈間距可以減小回波幅度差，提高正交橫波聲場(chǎng)的對(duì)稱(chēng)性，減小檢測(cè)誤差。

圖10 u、v 分量幅值差歸一化值與d1 的關(guān)系 Fig.10 Amplitude difference of u and v components vs.d1

2.2.3 裂紋尺寸對(duì)正交EMAT 聲場(chǎng)的影響

由正交橫波檢測(cè)方法可知，裂紋的檢測(cè)取決于u、v分量幅值關(guān)系。然而裂紋尺寸（深度、長(zhǎng)度、寬度）變化會(huì)影響反射回波u、v分量幅值。設(shè)置裂紋方向與線(xiàn)圈B 波束偏振方向保持平行，即角度設(shè)置為0?。分別改變裂紋深度、寬度、長(zhǎng)度三個(gè)參數(shù)之一，保持另外兩者不變，進(jìn)行三組仿真：①裂紋深度取值0～6mm，步長(zhǎng)0.5mm；②長(zhǎng)度取值0～3d，步長(zhǎng)0.25d，d為換能器孔徑，d=4mm；③寬度取值0.1～1mm，步長(zhǎng)0.1mm；仿真結(jié)果如圖11～圖13 所示。

圖11 u、v 分量幅值與裂紋深度的關(guān)系 Fig.11 Amplitude of u and v components vs.crack depth

圖12 u、v 分量幅值與裂紋長(zhǎng)度的關(guān)系 Fig.12 Amplitude of u and v components vs.crack length

圖13 u、v 分量幅值與裂紋寬度的關(guān)系 Fig.13 Amplitude of u and v components vs.crack width

以完好鋁板反射波幅值為參考，裂紋深度與反射回波歸一化幅值的關(guān)系如圖11 所示。仿真結(jié)果表明，裂紋深度從0～4mm 逐漸增大時(shí)，反射回波信號(hào)v分量幅度基本不變，而u分量幅度明顯減小，兩者幅值差明顯增大。當(dāng)裂紋深度大于4mm 時(shí)，反射回波信號(hào)幅值差基本趨于穩(wěn)定。

反射波幅值還受到裂紋長(zhǎng)度的影響。圖12 為仿真得到的裂紋長(zhǎng)度與反射回波幅值的關(guān)系曲線(xiàn)。結(jié)果表明，當(dāng)裂紋長(zhǎng)度從0～2d逐漸增大時(shí)，v分量基本不變，u分量幅度明顯下降。裂紋長(zhǎng)度增加使得偏振橫波與裂紋的相互作用逐漸增強(qiáng)，導(dǎo)致u分量幅值減小。當(dāng)裂紋長(zhǎng)度大于2d時(shí)，回波信號(hào)幅值趨于穩(wěn)定。

圖13 為0.1～1mm 的裂紋寬度與反射回波幅度的關(guān)系曲線(xiàn)。從總體看，裂紋寬度變化對(duì)反射回波幅度影響較小，且v分量、u分量保持較大的幅值差。當(dāng)寬度接近1mm 時(shí)，反射波幅值均略有所下降。原因是裂紋寬度增大使得裂紋頂部的波的散射增大。

3 正交橫波EMAT 同時(shí)檢測(cè)厚度和裂紋

3.1 正交橫波EMAT 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

本文提出的正交偏振EMAT 線(xiàn)圈采用FPC 柔性電路板（雙層板，厚度為0.2mm）工藝制備，A 線(xiàn)圈位于底層，B 線(xiàn)圈位于頂層。另外還制作了厚度為0.4mm、0.6mm、0.8mm 的PCB 雙層電路板，以研究線(xiàn)圈間距對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響。正交EMAT 線(xiàn)圈實(shí)物如圖14 所示。不同厚度的雙面電路板中線(xiàn)圈A、B 的導(dǎo)線(xiàn)銅厚度無(wú)變化，均為0.035mm。

圖14 正交EMAT 線(xiàn)圈實(shí)物圖 Fig.14 Orthogonal EMAT coils

實(shí)驗(yàn)試件：參考GB/T 33888—2017《超聲測(cè)厚儀特性與驗(yàn)證》[25]制備用于測(cè)厚和裂紋檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)試件，制備的完好試件和含底面裂紋試件均為厚50mm、直徑150mm 的鋁合金試件，其中，裂紋通過(guò)在試件底面開(kāi)槽口來(lái)模擬，分別制備了深度不同的裂紋試件。底面槽深分別為0.5mm、1mm、3mm、5mm，寬0.5mm，長(zhǎng)150mm（沿直徑貫穿底面）。設(shè)置裂紋初始方向與線(xiàn)圈B 偏振方向平行。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖15 所示，該系統(tǒng)由Ritec RAM-5000 產(chǎn)生兩個(gè)1MHz、周波數(shù)為2 的高頻脈沖電流激勵(lì)信號(hào)，從兩個(gè)輸出通道輸出，經(jīng)阻抗匹配后，分別施加在線(xiàn)圈A、B 上。示波器采集經(jīng)濾波放大后的感應(yīng)電壓信號(hào)，采用脈沖回波法，驗(yàn)證正交偏振橫波EMAT 換能器檢測(cè)鋁板厚度和缺陷的有效性。

圖15 正交橫波EMAT 檢測(cè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái) Fig.15 Measurement setup of the orthogonal EMAT

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中，正交EMAT 的兩個(gè)線(xiàn)圈A、B 感應(yīng)出的原始回波電壓信號(hào)較為微弱，信噪比很低，僅憑硬件難以完全濾除噪聲。因此對(duì)原始回波信號(hào)進(jìn)行小波包去噪（四層分解）處理。圖16 為完好鋁板上A 線(xiàn)圈接收的原始回波信號(hào)去噪后的時(shí)域波形，可見(jiàn)大部分噪聲被濾除，信噪比有效提高。由于第1反射回波信號(hào)受到主沖擊脈沖干擾，因此本文實(shí)驗(yàn)中取第2、3 反射回波信號(hào)進(jìn)行分析。

將換能器分別放置在完好鋁板和底面含裂紋鋁板上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，圖17a、圖17b 分別為完好鋁板、含底面裂紋鋁板上A、B 線(xiàn)圈接收的回波信號(hào)。

圖17 EAMT A、B 線(xiàn)圈接收的反射回波信號(hào) Fig.17 Back-wall reflection recorded with the coils of A and B

3.2.1 厚度測(cè)量

用游標(biāo)卡尺進(jìn)行3 次測(cè)量求平均值，分別得到完好鋁板的厚度為50.25mm，含底面裂紋鋁板厚度為50.17mm。用完好鋁板的厚度除以完好鋁板相鄰回波信號(hào)峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的ToF 值，得到橫波在鋁板中的傳播速度。A 線(xiàn)圈的相鄰回波峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的ToF值為32.14μs，計(jì)算得橫波的傳播速度為3 127m/s。B 線(xiàn)圈的相鄰回波峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的ToF 值為32.12μs，計(jì)算得到橫波的傳播速度為3 129m/s。橫波的波速理論值為3 121m/s，實(shí)驗(yàn)值和理論值基本相符，由換能器兩個(gè)線(xiàn)圈A、B 產(chǎn)生的超聲波均為橫波。

以線(xiàn)圈A、B 在完好鋁板中測(cè)得的波速為基準(zhǔn)，根據(jù)含底面裂紋鋁板的回波信號(hào)的ToF 值，即可得到A、B 線(xiàn)圈測(cè)量的含裂紋鋁板的厚度值。測(cè)得的含底面裂紋鋁板的波速和厚度見(jiàn)表2。

表2 厚度測(cè)量 Tab.2 Thickness measurement

從表2 中可以看出，用正交偏振橫波EMAT 的兩個(gè)線(xiàn)圈A、B 對(duì)含底面裂紋試件進(jìn)行厚度測(cè)量時(shí)，線(xiàn)圈A 的測(cè)量結(jié)果與游標(biāo)卡尺的測(cè)量結(jié)果相比，相對(duì)誤差為0.2%，線(xiàn)圈B 相對(duì)誤差0.28%。線(xiàn)圈B 比線(xiàn)圈A 的相對(duì)誤差稍大。造成差異的原因可能是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中隨機(jī)波動(dòng)誤差。

3.2.2 裂紋檢出和裂紋方向的檢測(cè)

從圖17a 得出，對(duì)于完好鋁板，A、B 線(xiàn)圈的反射回波信號(hào)幅值基本相同，二者幅值差為6.74mV。差異是由板厚引起提離距離略微不同導(dǎo)致的。

而對(duì)于含裂紋缺陷的鋁板，從圖17b 可得，A線(xiàn)圈反射回波信號(hào)峰值相對(duì)于B 線(xiàn)圈產(chǎn)生了明顯下降。比較A、B 兩個(gè)反射回波信號(hào)的峰值見(jiàn)表3，二者幅值差為35.85mV。相較于完好試件，A 線(xiàn)圈信號(hào)幅值下降65%，B 線(xiàn)圈信號(hào)幅值下降1%。實(shí)驗(yàn)表明，底面裂紋造成的兩個(gè)正交線(xiàn)圈回波信號(hào)幅值差異很大，可據(jù)此判定是否存在底面裂紋。

表3 A、B 線(xiàn)圈反射回波信號(hào)的峰值 Tab.3 Amplitude of reflection recorded with the coils

進(jìn)一步地，為了驗(yàn)證裂紋方向（裂紋與換能器的相對(duì)角度θ）與回波信號(hào)幅值的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)旋轉(zhuǎn)換能器來(lái)改變?chǔ)鹊拇笮?，每間隔10?檢測(cè)并提取A、B 線(xiàn)圈反射回波信號(hào)的幅值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖18 所示。當(dāng)0＜θ＜45?時(shí)，A 線(xiàn)圈的反射回波幅值小于B 線(xiàn)圈回波幅值；當(dāng)45?＜θ＜90?時(shí)，A 線(xiàn)圈的反射回波幅值大于B 線(xiàn)圈回波幅值。在45?附近，A、B 線(xiàn)圈反射回波幅值相差不明顯。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，A、B 線(xiàn)圈的反射回波信號(hào)的幅值差與裂紋方向角θ呈現(xiàn)單調(diào)的規(guī)律性關(guān)系。根據(jù)A、B 線(xiàn)圈的反射回波信號(hào)的幅值差能夠確定裂紋的方向。

圖18 A、B 線(xiàn)圈信號(hào)幅值差與裂紋角度θ 的關(guān)系 Fig.18 Amplitude difference of signal of A and B coils vs.θ

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了正交EMAT 同時(shí)測(cè)量厚度和檢測(cè)裂紋，并確定裂紋方向的方法是可行的，即通過(guò)正交線(xiàn)圈回波信號(hào)的ToF 進(jìn)行厚度測(cè)量的同時(shí)，利用兩個(gè)線(xiàn)圈回波幅值差可判定試件底面是否存在裂紋（幅值差較大時(shí)試件底面存在裂紋），并且根據(jù)幅值差與θ的關(guān)系曲線(xiàn)可以確定裂紋方向。

3.2.3 線(xiàn)圈間距對(duì)正交聲場(chǎng)對(duì)稱(chēng)性的影響

A、B 線(xiàn)圈在完好鋁板中的回波信號(hào)幅值差能夠反映聲場(chǎng)的對(duì)稱(chēng)性，因此分析板厚與A、B 線(xiàn)圈信號(hào)幅值差的關(guān)系。利用制作的厚度為 0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.8mm 的電路板，采用脈沖回波法在完好鋁板上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到A、B 線(xiàn)圈的回波信號(hào)幅值差與板厚的關(guān)系見(jiàn)表4。

表4 A、B 線(xiàn)圈信號(hào)幅值差與板厚 Tab.4 Amplitude difference of signal of A and B coils vs.d1

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著雙層電路板厚度的減小，兩個(gè)線(xiàn)圈的反射回波幅值差減小，當(dāng)板厚d1＜0.4mm 時(shí)，板厚引起的幅值差變化很小。因此，采用厚度0.4mm 以下的電路板制作正交EMAT 線(xiàn)圈對(duì)正交橫波的影響較小。為盡量減小線(xiàn)圈厚度的影響，本文其他實(shí)驗(yàn)中均采用FPC 雙面板（厚度0.2mm）制作的正交線(xiàn)圈進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.2.4 裂紋深度對(duì)A、B 線(xiàn)圈信號(hào)幅值的影響

表5 為不同裂紋深度下A、B 線(xiàn)圈接收信號(hào)的歸一化幅值，實(shí)驗(yàn)中裂紋寬度為 0.5mm、長(zhǎng)度為150mm 保持不變，數(shù)據(jù)以完好鋁板的接收信號(hào)幅值為參考。

表5 A、B 線(xiàn)圈信號(hào)幅值與裂紋深度（寬0.5mm，長(zhǎng)150mm）Tab.5 Signal amplitude of A and B coils vs.depth(0.5mm width and 150mm length)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，裂紋深度為0.5～5mm 時(shí)，A 線(xiàn)圈接收信號(hào)隨著裂紋深度增大而明顯減小，B 線(xiàn)圈信號(hào)幅度則基本不變。原因是裂紋深度越大，與正交橫波的相互作用越明顯。

從上述分析可以推知，可以利用正交EMAT 檢測(cè)深度為0.5mm（0.16λ，波長(zhǎng)λ=3.12mm）以上、寬度0.5mm 的裂紋。結(jié)合仿真結(jié)果，當(dāng)檢測(cè)深度大于4mm 的裂紋時(shí)，接收信號(hào)的幅值下降將達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)。

綜上所述，正交線(xiàn)圈EMAT 產(chǎn)生兩個(gè)相互正交偏振的橫波。兩個(gè)橫波在有缺陷的鋁板中傳播時(shí)，幅值存在很大差異。偏振方向與裂紋面垂直的橫波在裂紋處產(chǎn)生較大的散射造成明顯的幅值下降，而與裂紋面平行的橫波則幾乎不受影響。利用這一特征，可以同時(shí)檢測(cè)厚度和裂紋，并確定裂紋方向。具體做法為：①換能器同時(shí)產(chǎn)生正交偏振橫波，通過(guò)回波信號(hào)的ToF 進(jìn)行厚度測(cè)量，同時(shí)比較兩個(gè)橫波反射回波信號(hào)的幅值。②如果幅值相差較大，則說(shuō)明試件內(nèi)存在裂紋缺陷。根據(jù)幅值差與θ的關(guān)系曲線(xiàn)可確定裂紋的方向。在實(shí)際檢測(cè)中，幅值差與θ的關(guān)系曲線(xiàn)可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)試件或?qū)Ρ仍嚰?lái)繪制。③如果兩個(gè)反射回波幅值相等，則可能存在兩種情況：試件底面沒(méi)有裂紋，或者裂紋角度接近45??？蓪Q能器旋轉(zhuǎn)一定角度，如果幅值仍然相等，則可判定為無(wú)裂紋；如果出現(xiàn)明顯的幅值差，可判定存在45?的底面裂紋缺陷。

需要指出的是，在實(shí)驗(yàn)中如果采用單一線(xiàn)圈的橫波EMAT 也可進(jìn)行厚度檢測(cè)，但檢測(cè)裂紋時(shí)則需要旋轉(zhuǎn)換能器進(jìn)行兩次脈沖回波實(shí)驗(yàn)，并且保持相互垂直的偏振方向，增加實(shí)驗(yàn)復(fù)雜性，效率低下，難以實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)檢測(cè)。因此，與單一線(xiàn)圈的橫波EMAT相比，正交偏振的EMAT 可以實(shí)現(xiàn)厚度和裂紋的同時(shí)檢出，且可以定位缺陷方向。此外，與橫波與導(dǎo)波復(fù)合換能器相比，該換能器結(jié)合了橫波穿透能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)試件厚度沒(méi)有要求，適合各種厚度管壁裂紋的檢測(cè)。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種正交偏振橫波EMAT，通過(guò)兩個(gè)蝶形線(xiàn)圈在鋁板中激發(fā)正交偏振的橫波。對(duì)EMAT 激發(fā)的聲場(chǎng)及其與裂紋缺陷的相互作用進(jìn)行了三維有限元仿真，得出了利用正交橫波可以同時(shí)檢測(cè)鋁板厚度、裂紋和裂紋方向。本文的主要結(jié)論如下：

1）正交偏振橫波EMAT 產(chǎn)生的兩個(gè)偏振方向的橫波在與底面裂紋相互作用時(shí)存在很大差異。與裂紋面垂直的橫波產(chǎn)生較大的散射造成明顯的幅值下降，而與裂紋面平行的橫波則幾乎不受影響。裂紋深度和長(zhǎng)度對(duì)垂直裂紋面的橫波幅值影響較大，裂紋寬度則影響較小。

2）縮小線(xiàn)圈間距可以減小線(xiàn)圈接收的回波幅度差，提高正交橫波聲場(chǎng)的對(duì)稱(chēng)性，提高檢測(cè)精度。

3）正交偏振橫波EMAT 通過(guò)兩個(gè)線(xiàn)圈接收信號(hào)的聲時(shí)信息和幅值差，可以同時(shí)進(jìn)行厚度測(cè)量和對(duì)底面垂直裂紋的檢測(cè)，且可以定位裂紋方向。這為管道內(nèi)腐蝕減薄和裂紋等缺陷的在線(xiàn)檢測(cè)提供了新方法。