王星宇，鄭 陽，周進節(jié)，張宗健，張吉堂

（1.中北大學(xué)機械工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029）

0 引 言

超聲檢測被廣泛應(yīng)用于無損檢測（non-destructive testing，NDT）中，其中壓電超聲作為成熟的超聲檢測技術(shù)，主要適用于200 ℃以下的檢測環(huán)境，而電磁超聲有著檢測過程無需耦合劑、適合表面有隔離層、表面粗糙度較大、超高溫、高壓等極端惡劣環(huán)境檢測、高速在線檢測的優(yōu)勢［1～6］。超聲相控陣成像檢測技術(shù)優(yōu)勢明顯，成像效果清晰明確，使用過程也是十分方便。但電磁超聲相控陣的儀器發(fā)展不完善，電磁超聲傳感器研究不足，沒有與相控陣成像算法配合起來。

超聲相控陣領(lǐng)域中的平面波成像技術(shù)是當(dāng)前的熱點技術(shù)，相比于被譽為“黃金標準”的全聚焦成像，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中首次提出的平面波成像具有在聲波激發(fā)采集次數(shù)和數(shù)據(jù)后處理上更簡便高效的優(yōu)勢［7］。國內(nèi)外許多專家學(xué)者在醫(yī)學(xué)和無損檢測領(lǐng)域?qū)ζ矫娌ǔ上袼惴ㄟM行了優(yōu)化，如相位相干系列算法最早在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得以應(yīng)用［8～10］。而后由Camacho J引入無損檢測領(lǐng)域，可提升平面波成像算法的成像檢測效果［11，12］。而Merabet L等人歸納總結(jié)出頻域平面波成像算法，減少了平面波激發(fā)次數(shù)，提高了成像效果［13］。無損檢測領(lǐng)域面臨的檢測情況相比醫(yī)學(xué)領(lǐng)域沒有那么復(fù)雜，但上述優(yōu)化算法依靠全通道激勵、多通道接收繼而采集多角度回波數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)，系統(tǒng)操作復(fù)雜、采集數(shù)據(jù)量依舊較大，因此，可采用單個方向下的平面波成像算法來避免上述缺點。該類算法采集數(shù)據(jù)集更少，檢測速度更快。在未來可應(yīng)用于管道、儲罐等環(huán)境的實時監(jiān)測。該方法主要針對常規(guī)壓電超聲領(lǐng)域進行了分析。

然而，目前國內(nèi)電磁超聲相控陣的發(fā)展尚且處于起步階段，還存在電磁超聲相控陣換能器設(shè)計方法尚不明確的問題，嚴重制約了該技術(shù)的進一步發(fā)展［14，15］。目前電磁超聲體波成像發(fā)展緩慢，使用的成像方法為B掃成像，合成孔徑聚焦技術(shù)（synthetic aperture focusing technique，SAFT）成像、全聚焦方法（total focusing method，TFM）成像、平面波成像，其中SAFT與TFM作為高分辨成像算法目前逐步引入電磁超聲領(lǐng)域中，平面波成像算法暫時未引入電磁超聲領(lǐng)域。SAFT成像算法一般需要掃查裝置，且針對電磁超聲相控陣這類檢測，存在陣元間距稀疏問題，暫未被優(yōu)化分析，TFM成像復(fù)雜度較高，計算時間長，不太適用于實時成像。其中平面波成像算法成像質(zhì)量最優(yōu)，從算法角度分析，可從壓電領(lǐng)域引入電磁超聲領(lǐng)域，但其參考壓電領(lǐng)域需要多個角度下的延時偏轉(zhuǎn)，繼而收集多個角度的回波檢測信號，需要的激勵功率較大，檢測效率有所降低，因此開發(fā)適合單通道激勵下單個方向聲波傳輸?shù)钠矫娌ǔ上竦碾姶懦晸Q能器（electromagnetic acoustic transducer，EMAT）可以解決這個問題，主要采用模塊分離的思想，通過設(shè)計激發(fā)平面波的單陣元線圈作為激發(fā)線圈，同時設(shè)置N個通道線圈作為接收線圈。然后多通道采集N組數(shù)據(jù)，實現(xiàn)電磁超聲下高效的平面波成像檢測。

本文針對電磁超聲相控陣成像算法如何實現(xiàn)的問題。首先，簡化平面波成像算法，推導(dǎo)出單平面波成像算法公式；然后，建立電磁超聲相控陣換能器二維有限元模型，對比不同繞線方式對于激發(fā)平面波的影響；最后，分析了優(yōu)化繞線方式下的平面波成像檢測特性。

1 算法原理

1.1 網(wǎng)格劃分

在EMAT 激發(fā)與接收信號過程中，由于始波的影響在表面近場區(qū)無法進行成像，而底面回波表明試塊高度大小，在底面回波之后的信號對于成像是無意義的，適合進行缺陷成像的區(qū)域為換能器正下方去除近場區(qū)至試塊底面的區(qū)域，稱之為圖像重建區(qū)域，如圖1 中的網(wǎng)格區(qū)域所示。坐標原點位于重建網(wǎng)格中點的上方，沿陣元布置方向為X軸，垂直于陣元的深度方向為Z軸。為了避免始波盲區(qū)對重建可視化效果的影響，設(shè)置圖像重建區(qū)域在距離掃描平面下方一定深度的位置，重建區(qū)域大小為L×D（平面波陣元寬度×深度）。網(wǎng)格分辨率為（σx，σz），每個網(wǎng)格單元對應(yīng)的索引為（i，j），i＝1，…，M，j＝1，…，N，根據(jù)網(wǎng)格分辨率和重建區(qū)域尺寸，可得重建網(wǎng)格尺寸M×N為

圖1 重建網(wǎng)格的數(shù)據(jù)映射

對于圖像重建區(qū)域的任一網(wǎng)格點（i，j）對應(yīng)的物理位置，可表示為

1.2 平面波成像基本原理

平面波發(fā)射時的接收信號示意如圖2 所示，這里只考慮激發(fā)0°的平面波。

圖2 0°平面波聲傳播路徑示意

激發(fā)線圈是一個整體，接收平面波回波的陣列元素的個數(shù)為N。每個陣列元素的坐標為（xi，zi）。對于成像區(qū)P（x，z），將平面波從陣列傳播到成像區(qū)P（x，z）的傳播距離為dt，將后向散射信號從陣列P（x，z）到第i個單元的傳播距離設(shè)為dr。因此，該過程對應(yīng)的傳播時間為

每個像素點的振幅通過發(fā)射角和每個接收陣列元素的疊加獲得，可以表示為

2 EMAT設(shè)計

實現(xiàn)平面波成像的關(guān)鍵是激發(fā)出合適角度的平面波，可以通過多個陣元同時激發(fā)得到平面波，這種方式可以激發(fā)多角度的平面波，但由于電磁超聲相控陣技術(shù)還不成熟，沒有辦法做到同時激發(fā)和延時偏轉(zhuǎn)，且激勵功率大，因此可以采用多個陣元并聯(lián)或串聯(lián)成一個通道激發(fā)。

2.1 仿真模型建立

為了研究電磁超聲體波傳播特性與不同線圈和磁體配置對其輻射聲場特性的影響，利用有限元軟件，對多磁體跑道形線圈，單磁體跑道形線圈和單磁體蝶形線圈3種不同換能器結(jié)構(gòu)進行了仿真分析，探究適合平面波成像的換能器結(jié)構(gòu)。這3 種配置方式的EMAT 主要產(chǎn)生超聲橫波，在超聲體波成像中最常用的就是超聲橫波［1］。3 種EMAT如圖3所示。

圖3 3 種線圈示意

單磁體線圈和多磁體線圈磁體下方為8 組跑道形線圈串聯(lián)組成的大線圈，由于跑道形線圈工作部分為直導(dǎo)線部分，直線部分提供主要的輻射聲場，沿導(dǎo)線長度方向（即X軸方向）上的輻射聲場可忽略，而大孔徑蝶形線圈在使用時會將多余的線圈部分折起來，不與試塊接觸，故可將跑道形線圈簡化為長直導(dǎo)線橫截面上的二維模型進行分析，將線圈近似等效為一根長直導(dǎo)線，采用單層結(jié)構(gòu)，每組線圈兩側(cè)電流方向相反。換能器模型的軸線與Z軸重合，整個模型關(guān)于換能器軸線左右對稱，定義磁體材料為釹鐵硼，剩磁為1.4 T，方向沿Z軸垂直向下［16］。模型參數(shù)及材料屬性如表1所示。

表1 模型參數(shù)

2.2 仿真結(jié)果與分析

提取8 μs時刻3種不同磁體和線圈配置下的EMAT產(chǎn)生的位移振動信號來表征輻射聲場信號。如圖4 可以看出3種不同的線圈和磁體排布方式中激發(fā)出的波形類似，均能激勵出3種聲波，3種聲波分別為橫波、縱波和表面波，并且輻射聲場中橫波的能量最大［1］。但只有蝶形線圈激發(fā)出完整的平面波。單磁體多跑道形線圈激發(fā)時，相鄰2 個線圈的電流方向相反，在相鄰的位置激發(fā)出的渦流很微弱，所以在相鄰位置處帶電粒子流動速度下降，在磁場的作用下，受到的洛倫茲力較小，激發(fā)出的聲場不平整；多磁體多跑道形線圈激發(fā)時，磁體的磁極相反，兩側(cè)線圈電流方向相反，導(dǎo)致試塊表面激勵出渦流方向相同，所以在線圈相鄰下方的試塊中激勵出的波形近似為平面，由于單磁體跑道形線圈本身的聲場特性導(dǎo)致波形不完整，中間會有等于陣元數(shù)量的截斷區(qū)域［1］；單磁體蝶形線圈激發(fā)時，在磁體下方的導(dǎo)線瞬時電流方向相同，而在試塊近表面的磁體周圍磁場方向近似為垂直于試塊表面方向，所以同一時刻試塊近表面的帶有相同電荷粒子受到的力方向一致，且均為水平方向，因此蝶形線圈激勵的超聲波為平面波，蝶形線圈和跑道形線圈不同，雖然兩種線圈都有工作區(qū)域和非工作區(qū)域，跑道形線圈非工作區(qū)域為弧線部分，在仿真中簡化了，但是蝶形線圈非工作區(qū)域占較大，兩側(cè)非工作區(qū)域幾乎等于蝶形線圈工作區(qū)域，在仿真中如圖4（c）非工作區(qū)域也激發(fā)出橫波和縱波，實驗中應(yīng)該考慮如何消除這部分。

圖4 3 種不同配置EMAT輻射聲場云圖

本文提出一種新的傳感器布置形式命名為子母共位EMAT，該換能器將激發(fā)線圈與接收線圈分離，激發(fā)線圈為整體線圈，接收線圈為分離多通道線圈，兩部分線圈均為蝶形線圈。設(shè)計采用蝶形線圈作為接收線圈，蝶形線圈的通道數(shù)為8。

3 實 驗

實驗通過電磁超聲平面波檢測系統(tǒng)完成，電磁超聲平面波缺陷檢測系統(tǒng)主要由上位機軟件、電磁超聲檢測儀器、子母共位EMAT和缺陷試塊組成，用于超聲波信號的激勵和接收，如圖5 所示。其中子母共位EMAT 由平面波激發(fā)線圈和多通道接收線圈以及永磁體組成。如圖6 所示，框中為永磁體放置區(qū)域，也是該換能器工作區(qū)域。

圖5 缺陷檢測實驗系統(tǒng)

圖6 傳感器線圈

圖7所示為設(shè)計的電磁超聲缺陷試塊的一部分，試塊整體尺寸為300 mm ×170 mm ×50 mm（長度×高度×厚度），材料為Al，圖中展示實驗使用的3 個區(qū)域橫通孔缺陷陣列數(shù)為5，第一個橫通孔中心距離試塊表面20 mm，相鄰橫通孔之間的水平間距為5 mm，垂直間距為8 mm，孔徑尺寸在區(qū)域1到區(qū)域3分別對應(yīng)為3，2，1 mm。

圖7 缺陷檢測試塊

使用單通道電磁超聲激發(fā)平面波，多通道采集信號實現(xiàn)平面波成像。由于電磁超聲能量轉(zhuǎn)化率比較低，并且小孔徑陣元接收來自缺陷散射信號時，位于陣元孔徑正下方的缺陷回波幅值大于其他方向的回波，在實際實驗過程中的信號比仿真信號信噪比要低很多。圖8 所示為8 個通道接收信號的原始波形。

圖8 8 個通道原始波形

將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入仿真軟件中，對數(shù)據(jù)進行處理，使用平面波成像算法對各個區(qū)域進行成像。如圖9（a）所示為區(qū)域2的成像結(jié)果。由于單平面波算法對于深度越大的缺陷兩旁的偽影也就越大，加上噪聲的影響，在第二個缺陷開始缺陷成像逐步分離出2個偽影，2個偽影中心為實際缺陷位置。如圖9（b）所示，通過小波降噪，得到信噪比高的信號，用信噪比高的信號進行成像，成像效果較好。通過小波算法處理后，確定缺陷位置如表2 所示，自上而下依次是孔1至孔5與缺陷實際位置對比，對于缺陷縱軸位置坐標定位準確誤差在0.5 mm以內(nèi)，而對于橫軸位置坐標定位較準確，誤差在2 mm左右，上文也分析到橫向分辨率受到陣元間距和陣元數(shù)量影響，增加陣元數(shù)量會使橫坐標定位更加準確。

表2 缺陷定位坐標 mm

從表2中數(shù)據(jù)可知，即使存在偽影，但由于該算法以成像區(qū)域網(wǎng)格點的聲壓幅值最大點作為定位基準，偽影的出現(xiàn)幾乎不影響缺陷定位，存在偽影也在可以接受的范圍內(nèi)。如圖9（c）所示最后通過相位相干算法對圖像進行加權(quán)處理。消除部分偽影，得到最終成像結(jié)果圖，可進一步提升檢測成像信噪比。

4 結(jié) 論

1）通過調(diào)整EMAT的磁體和線圈布置，實現(xiàn)能量更多集中到橫波的聲波檢測方式。在單磁體配置蝶形線圈配置下，輻射聲場能量更加均勻。

2）通過布置重疊的兩層線圈，使用單通道儀器就能實現(xiàn)電磁超聲單平面波成像相控陣算法，通過比對不同類型算法，發(fā)現(xiàn)相位相干平面波成像與小波降噪下的平面波成像算法可進一步提升成像信噪比。

3）本文使用的子母共位EMAT，可以對鋁塊中傾斜階梯排列直徑2 mm的圓孔形缺陷采集數(shù)據(jù)后進行處理成像，缺陷定位準確，成像效果良好?？傊?，子母共位相控陣傳感器與平面波算法結(jié)合在圓孔缺陷檢測中是非常有效的。