劉 燕，王悅民，孫豐瑞，申傳俊

（1.海軍工程大學(xué) 理學(xué)院，武漢 430033；2.海軍工程大學(xué) 船舶與動(dòng)力學(xué)院，武漢 430033）

近些年來，作為船舶維修手段之一的導(dǎo)波無損檢測(cè)技術(shù)，得到普遍重視，在船舶維修保障中發(fā)揮了極其重要的作用。導(dǎo)波探傷適用性廣泛，可以使用在幾乎所有船舶部件的無損檢測(cè)上，包括管材、板材、鑄件、鍛件和焊縫。其中板件由于在制造、成形過程中不可避免地存在少量缺陷，如分層、裂紋、劃傷等，同時(shí)由于外部加載以及使用環(huán)境的變化，也可能引起板件內(nèi)部細(xì)小缺陷的擴(kuò)展，進(jìn)而造成破壞性事故，因此，對(duì)這些板形構(gòu)件進(jìn)行定期檢測(cè)，具有十分重要的意義。

對(duì)于板殼結(jié)構(gòu)，常規(guī)的超聲檢測(cè)方法是超聲C掃描法［1－2］，也就是用探頭對(duì)被測(cè)工件進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，形成C掃描圖像，從而檢測(cè)工件是否存在缺陷。當(dāng)被檢工件較大時(shí)，C掃描方法很費(fèi)時(shí)，效率較低。隨著大型工件在工業(yè)中越來越廣泛的應(yīng)用，需要一種高效便捷的檢測(cè)方法對(duì)其進(jìn)行快速檢測(cè)。相對(duì)于常規(guī)超聲波而言，超聲導(dǎo)波能夠進(jìn)行快速、長(zhǎng)距離、大范圍、成本相對(duì)低的無損檢測(cè)，因此，目前導(dǎo)波無損檢測(cè)技術(shù)已成為超聲檢測(cè)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。國內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)板結(jié)構(gòu)的健康檢測(cè)進(jìn)行了大量的研究工作［3－4］，包括含多處損傷板結(jié)構(gòu)［5］對(duì)導(dǎo)波的散射問題，用數(shù)值計(jì)算方法研究了損傷周圍散射位移場(chǎng)的分布情況；利用導(dǎo)波對(duì)板厚2.76mm并蝕刻了一個(gè)人工腐蝕缺陷的鋼板［6］進(jìn)行探測(cè)，通過分析不同模態(tài)對(duì)缺陷的敏感程度，選擇合適的模態(tài)用于對(duì)板狀結(jié)構(gòu)中隱蔽腐蝕缺陷的檢測(cè)；對(duì)導(dǎo)波在各向異性層狀介質(zhì)中［7］的傳播特性進(jìn)行研究，提出缺陷檢測(cè)的算法，并利用該算法對(duì)有兩處損傷的復(fù)合板進(jìn)行檢測(cè)。

對(duì)于厚度為幾個(gè)波長(zhǎng)的薄板，當(dāng)超聲波傳播一定距離后由于薄板上下表面不斷反射，使得此時(shí)超聲波已不再是普通的橫波或縱波，而是一種新的超聲波形式，即蘭姆波。由于蘭姆波在板中傳播時(shí)聲場(chǎng)遍及整個(gè)壁厚，傳播距離較長(zhǎng)且衰減較小，因此蘭姆波常用于板狀材料的檢測(cè)。電磁超聲換能器（EMAT）激勵(lì)蘭姆波的技術(shù)可以用于非接觸、快速、全面地評(píng)估板材的健康狀況，無需加入耦合劑、重復(fù)性好，但相對(duì)壓電傳感器來說，其主要不足是換能效率比較低，因此，目前有很多研究者在控制導(dǎo)波的相關(guān)噪聲和信號(hào)提取方面做著進(jìn)一步的研究。

1 用EMAT激發(fā)蘭姆波

EMAT技術(shù)的核心是電磁超聲換能器，該器件與傳統(tǒng)的壓電超聲換能器的本質(zhì)區(qū)別在于其發(fā)射接收方式不同。EMAT靠電磁效應(yīng)發(fā)射和接收超聲波，其能量轉(zhuǎn)換在被測(cè)工件表面的集膚層內(nèi)直接進(jìn)行，不需要與工件接觸并且不需要任何耦合介質(zhì)。電磁超聲產(chǎn)生彈性波的機(jī)理主要依賴于材料的性質(zhì)。在非鐵磁材料中，聲波的產(chǎn)生是洛倫茲力作用在材料晶格上的結(jié)果；在鐵磁材料中，磁致伸縮機(jī)制則是主要的換能機(jī)制。

電磁超聲在鐵磁材料中激勵(lì)Lamb波的探頭結(jié)構(gòu)如圖1所示，曲折線圈和平行于Lamb波傳播方向的靜偏磁場(chǎng)是探頭的主要構(gòu)成［8－9］。

圖1 電磁聲傳感器激發(fā)Lamb波的工作機(jī)制

BS為EMAT磁鐵產(chǎn)生的靜磁場(chǎng)，曲折線圈在高頻大功率發(fā)射電流JC激勵(lì)下在工件中產(chǎn)生交變電磁場(chǎng)Bd，并在工件集膚深度內(nèi)感應(yīng)出渦流JE；洛侖茲力F由下式給出［8］：

磁致伸縮是指當(dāng)鐵磁材料磁化狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，其長(zhǎng)度、體積或形狀相應(yīng)發(fā)生變化的現(xiàn)象，變化形式主要有線性磁致伸縮、體積磁致伸縮和由退磁能引起的形狀效應(yīng)等，后兩種變化一般都非常微弱。引起Lamb波激勵(lì)的主要是等體積的線性磁致伸縮效應(yīng)。

圖2所示為磁致伸縮效應(yīng)激勵(lì)SH0模式板波的機(jī)理［10］，當(dāng)曲折線圈中通以高頻交變電流時(shí)，將在材料表層內(nèi)感應(yīng)出動(dòng)態(tài)的交變磁場(chǎng)，如果忽略位移電流，按照安培定律會(huì)產(chǎn)生出動(dòng)態(tài)的交變渦流，在靜態(tài)偏置磁場(chǎng)Hs作用下，發(fā)生磁致伸縮效應(yīng)并產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力對(duì)材料晶格作用，從而產(chǎn)生應(yīng)力波。低碳鋼薄板SH0模式板波的幅值最初隨著靜態(tài)磁場(chǎng)增加到最大值，然后逐漸減小到最小值，最后隨著相位倒置90°，增加到最大值。

圖2 磁致伸縮型電磁聲傳感器激發(fā)SH0板波的工作機(jī)制

圖3所示為磁致伸縮效應(yīng)激勵(lì)S0模式Lamb波的機(jī)理，低碳鋼薄板S0模式板波的幅值最初隨著靜態(tài)磁場(chǎng)減為最小值，然后隨著相位倒置180°而增加，最后在沒有相位倒置下減少。

圖3 磁致伸縮型電磁聲傳感器激發(fā)S0模式Lamb波的工作機(jī)制

曲折線圈的制作可以采用扁平電纜、銅線等不同的方式，還可以將其做成印制電路板以提高換能效率并使其更加耐用。線圈的間距是EMAT設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素，其設(shè)計(jì)必須滿足相位匹配條件，即線圈間距為L(zhǎng)amb波波長(zhǎng)的一半：

式中λ為波長(zhǎng)；cP為波速；f為頻率；d為相鄰兩導(dǎo)線的中心距離。滿足相位匹配條件的線圈能使換能效率達(dá)到最大，激發(fā)和接收的信號(hào)幅值最高。

目前，EMAT應(yīng)用很廣，包括對(duì)金屬母材的缺陷探測(cè)、焊縫的檢測(cè)、測(cè)厚、復(fù)合材料的檢測(cè)、鐵路鐵軌、車輪的檢測(cè)、應(yīng)力測(cè)量和高溫檢測(cè)等。Raymond W Tucker［11］等利用EMAT對(duì)天然氣管道的焊縫與裂紋進(jìn)行探測(cè)。Hirotsugu Ogi［12］等利用EMAT產(chǎn)生軸向剪切波，對(duì)旋轉(zhuǎn)軸的疲勞裂紋進(jìn)行探測(cè)，以評(píng)估其壽命。Won－Bae Na［13］等利用 EMAT對(duì)填充混凝土的鋼管由于腐蝕而造成的壁厚變化以及管內(nèi)壓力值的變化進(jìn)行了研究，并利用柱狀波對(duì)鋼管的缺陷進(jìn)行檢測(cè)，取得了比較好的效果。

在板狀結(jié)構(gòu)缺陷研究方面，Riichi Murayama［14－15］等人做了大量的研究，他們利用 EMAT對(duì)冷軋鋼板可塑變形進(jìn)行檢測(cè)研究，比較了洛侖茲力型和磁致伸縮型EMAT基本性能，用1mm厚的冷軋鋼板為例，磁致伸縮型EMAT檢測(cè)到的最大信號(hào)幅值出現(xiàn)在磁化電流增加到中間的位置，而洛侖茲力型EMAT檢測(cè)到的信號(hào)幅值隨著磁化電流的增加而增大。與洛侖茲力型EMAT相比，磁致伸縮型EMAT選取的最優(yōu)化電流不到洛侖茲力型EMAT磁化電磁體所用最大電流的十分之一，而磁致伸縮型EMAT產(chǎn)生的最大幅值是洛侖茲力型EMAT的5倍多。同時(shí)，他們還利用EMAT開發(fā)了超聲波檢測(cè)機(jī)器人［16］，既能激勵(lì)SH平板波又能激勵(lì)Lamb波，用以對(duì)存儲(chǔ)器和管道進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)。Dixon［17］等人設(shè)計(jì)了一套非接觸EMAT裝置，在鋁板和鋼板中產(chǎn)生和檢測(cè)Lamb波和瑞利波，并且還設(shè)計(jì)了雙探頭［18－19］形式，用以表面缺陷和次表面缺陷的檢測(cè)。

國內(nèi)最早將電磁聲用于無損檢測(cè)研究的是北京鋼鐵研究院的張廣純等［20－21］，他們通過發(fā)射大功率脈沖信號(hào)，在厚度為18mm的鋼板中產(chǎn)生Lamb波檢測(cè)缺陷，所用發(fā)射機(jī)功率＞50kW。為了消除EMAT檢測(cè)的盲區(qū)，該技術(shù)采用了兩個(gè)線圈同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)。目前對(duì)電磁聲無損檢測(cè)進(jìn)行研究的機(jī)構(gòu)有上海交通大學(xué)、中國科學(xué)院聲學(xué)研究所、中國礦業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)。朱紅秀［22］通過試驗(yàn)研究，確定了電磁超聲換能器最佳勵(lì)磁電流，并利用ANSYS有限元軟件，對(duì)用于鋼管缺陷檢測(cè)的電磁聲換能器的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算，得到磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布規(guī)律。上海交通大學(xué)的張志剛、闕沛文［23］等人設(shè)計(jì)了一種新穎的SH波和Lamb波雙模式電磁超聲換能探頭，可有效應(yīng)用于工業(yè)板材或管材的自動(dòng)化在線檢測(cè)。清華大學(xué)的張永生、黃松嶺［24］等人設(shè)計(jì)了一種基于電磁超聲的鋼板裂紋檢測(cè)系統(tǒng)，可以直接在鋼板中激發(fā)超聲波，對(duì)裂紋的定位誤差≤1%。相對(duì)傳統(tǒng)的PET探傷裝置，EMAT探傷速度更快，例如EMAT自動(dòng)探傷裝置針對(duì)24m長(zhǎng)鋼板的一個(gè)探傷周期僅為34s，EMAT可在板內(nèi)形成均勻的電磁超聲波場(chǎng)，使各區(qū)域的檢測(cè)靈敏度均勻，同時(shí)相鄰EMAT探頭間易形成重疊區(qū)域，滿足一些特殊的探傷要求。

2 EMAT的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在EMAT中，換能器已不單是通以交變電流的渦流線圈以及外部固定磁場(chǎng)的組合體，金屬表面也是換能器的一個(gè)重要組成部分，電和聲的轉(zhuǎn)換是靠金屬表面來完成的。為了提高EMAT的檢測(cè)效率，EMAT自身的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。相對(duì)壓電傳感器來說，EMAT的主要不足是其換能效率比較低。對(duì)以洛侖茲力為原理工作的EMAT，當(dāng)體波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于集膚深度，且忽略因衍射而引起的損耗和放大器產(chǎn)生的噪聲，并假定已實(shí)現(xiàn)理想的匹配時(shí)，可以得到信噪比的表達(dá)式［25－26］：

式中p0為發(fā)射線圈輸入的功率；R0為線圈單位面積上的電阻；W 為線圈的寬度。從式中可以看出，影響系統(tǒng)效率最為關(guān)鍵的因素是所施加偏置磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，它與洛侖茲力和磁致伸縮力成正比，提高外磁場(chǎng)強(qiáng)度，可增大質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度和聲強(qiáng)，提高接收電壓幅值，即提高了信噪比和檢測(cè)靈敏度。

EMAT線圈設(shè)計(jì)的原則是要提高線圈的轉(zhuǎn)換效率，產(chǎn)生在金屬表面?zhèn)鞑サ某暡ā＞€圈的設(shè)計(jì)可采用直導(dǎo)線、折回線圈、螺旋線圈、“回”形線圈和“呂”形線圈。文獻(xiàn)［27］中，通過在EMAT的發(fā)射器線圈后設(shè)置一個(gè)鐵磁性材料，增加渦流值。EMAT磁鐵設(shè)計(jì)的原則是要能產(chǎn)生高強(qiáng)度的磁場(chǎng)，為了在介質(zhì)表面和近表面形成強(qiáng)偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，近幾年來，具有強(qiáng)磁場(chǎng)永磁體的采用，大大提高了EMAT的效率。相對(duì)較低換能效率的EMAT來說，采用高功率的激勵(lì)，不僅能提高信噪比，而且在超聲導(dǎo)波模式的選擇上有更重要的作用，電子器件的迅速發(fā)展使制造大功率的發(fā)射電路成為可能。冷濤等［28］研制的多功能電磁聲試驗(yàn)平臺(tái)，為了抑制共模噪聲、提高信噪比，采用了前置放大器和主放大器兩項(xiàng)放大的形式，在電磁聲接收線圈的輸出端設(shè)置了前置差分放大器，把信號(hào)初步放大后再用雙絞線送至主放大器，進(jìn)一步放大。

EMAT工作過程的理論研究主要集中在EMAT的建模仿真及對(duì)電磁超聲波發(fā)射和接收物理過程的認(rèn)知上。準(zhǔn)確的模型有利于對(duì)EMAT工作過程的分析，并指導(dǎo)系統(tǒng)優(yōu)化。有限元分析基于變分原理，從全新的角度求解一類偏微分方程，不僅求解性能好，而且求解精度也較高，是一種應(yīng)用于EMAT模型行之有效的數(shù)值分析方法［26］。Dutton［29］利用三維有限元建模和仿真分析，在不增設(shè)前置放大的前提下，通過對(duì)EMAT的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其磁感應(yīng)強(qiáng)度從0.29T增加至0.52T，當(dāng)提離距離＜0.5mm時(shí)，信噪比由8.3增加為16.5。Koorosh Mirkhani利用三維有限元模型第一次完整詳細(xì)地給出了靜態(tài)磁通的計(jì)算［30］，從而為磁場(chǎng)的合理配置提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

3 超聲導(dǎo)波聚焦

由于導(dǎo)波傳播過程中存在的頻散效應(yīng)，在任意頻率下至少存在兩種模態(tài)，并且某些模態(tài)在高頻時(shí)散射嚴(yán)重，使得信號(hào)的識(shí)別比較困難，特別是多缺陷板的導(dǎo)波檢測(cè)信號(hào)識(shí)別更是一個(gè)難題。為了補(bǔ)償導(dǎo)波的頻散，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波的聚焦，Rose的研究團(tuán)隊(duì)提出了導(dǎo)波聚焦理論，Hayashi［31］利用半分析有限元方法對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬，采用梳狀傳感器陣列利用相位補(bǔ)償方法對(duì)管道進(jìn)行了導(dǎo)波聚焦試驗(yàn)，獲得了較好的效果。國內(nèi)外有很多單位和研究者從事聚焦理論的研究，其中大多數(shù)集中在基于壓電效應(yīng)的超聲導(dǎo)波技術(shù)。1989年Fink等人在超聲方面獲得了時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)聚焦能力的結(jié)論后，時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)成為科學(xué)家們理論和試驗(yàn)研究的一大熱點(diǎn)［32］。所謂時(shí)間反轉(zhuǎn)法，即將不同傳感器接收到的聲源發(fā)射信號(hào)，按其時(shí)間歷程的反向過程重新向介質(zhì)發(fā)射回去，使得信號(hào)先到后發(fā)、后到先發(fā)，同時(shí)回到波源處，該處理是有效地實(shí)現(xiàn)聲源信號(hào)重構(gòu)的一種方法。當(dāng)波源在結(jié)構(gòu)中激發(fā)出一定形式的波形后，信號(hào)被傳感器捕獲得到監(jiān)測(cè)信號(hào)，將這些監(jiān)測(cè)信號(hào)時(shí)間反轉(zhuǎn)，并在各自的傳感器上同時(shí)加載，則這些信號(hào)同時(shí)同相到達(dá)波源處，形成聚焦。1998年中國科學(xué)院研究所的魏煒、劉晨、汪承灝［33］進(jìn)行了利用時(shí)間反轉(zhuǎn)法使得聲束在固體中自適應(yīng)聚焦的研究，對(duì)采用實(shí)際上能實(shí)現(xiàn)的、有限個(gè)數(shù)的、有限寬度的條狀元構(gòu)成換能器陣列，作時(shí)間反轉(zhuǎn)鏡進(jìn)行理論分析和試驗(yàn)。理論分析得出了簡(jiǎn)明的解析結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果證明，時(shí)間反轉(zhuǎn)法可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的聚焦增益，提高聲波信號(hào)在固體介質(zhì)中的信噪比。滕飛［34］用時(shí)間反轉(zhuǎn)蘭姆波進(jìn)行了檢測(cè)板材缺陷的試驗(yàn)，根據(jù)鋁板中可能存在的缺陷形式，人工預(yù)制模擬缺陷，利用時(shí)間反轉(zhuǎn)聚焦信號(hào)對(duì)幾種樣板檢測(cè)，通過對(duì)信號(hào)能量分布的分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的存在和位置的判定，解決了蘭姆波在固體介質(zhì)中傳播出現(xiàn)的能量分散問題。陳妍［35］用同樣的方法在有裂紋鋁板上分別做了單通道試驗(yàn)和多通道試驗(yàn)，通過對(duì)比有裂紋鋁板與無裂紋鋁板上的聚焦信號(hào)并分析聚焦信號(hào)的主副瓣比值變化，研究裂紋的定位方法。

超聲相控陣技術(shù)最早應(yīng)用在醫(yī)療領(lǐng)域，后來逐漸被應(yīng)用到噪聲源識(shí)別、相控陣?yán)走_(dá)等方面，近來的研究應(yīng)用表明，超聲相控陣成像技術(shù)對(duì)工業(yè)構(gòu)件內(nèi)部具有極好的實(shí)時(shí)成像能力，可準(zhǔn)確檢測(cè)出物體中的缺陷，并確定其位置、大小和性質(zhì)。常規(guī)的超聲波檢測(cè)通常采用一個(gè)壓電晶片來產(chǎn)生超聲波，只能產(chǎn)生一個(gè)固定的波速，其波形是預(yù)先設(shè)計(jì)的且不能更改。相控陣探頭由多個(gè)小的壓電晶片按照一定序列組成，使用時(shí)相控陣儀器按照預(yù)定的時(shí)序?qū)μ筋^中的一組或者全部晶片分別進(jìn)行激活，每個(gè)激活晶片發(fā)射的超聲波速相互干涉形成新的波速，波速的形狀、偏轉(zhuǎn)角等可以通過調(diào)整激發(fā)晶片的數(shù)量、時(shí)間來控制。相控陣對(duì)晶片進(jìn)行激活時(shí)所遵循的規(guī)則，即以何種方式的延時(shí)進(jìn)行觸發(fā)稱為聚焦法則（focal law），采用相控陣的方法，可以根據(jù)需要設(shè)置多組聚焦法則，產(chǎn)生多組不同角度的波速同時(shí)進(jìn)行掃查。常用的相控陣陣列有線陣、矩陣、環(huán)陣等，其中一維線型陣列容易編程控制，并且費(fèi)用較低。一維線陣如圖4所示［36］，其中陣元數(shù)量為N，陣元中心間距為d，陣元寬度為a，θ為輻射角，r及ri分別為場(chǎng)點(diǎn)p（r，θ）到陣列中第1個(gè)和第i個(gè)陣元的距離。利用相控陣技術(shù)對(duì)材料及構(gòu)件進(jìn)行無損檢測(cè)時(shí)，為了獲得最好的檢測(cè)效果，需在某一特定方向（即偏轉(zhuǎn)方向）上聲壓值最大，而在其他方向的聲壓值最小。陣列相控陣換能器參數(shù)優(yōu)化的目的在于使波速具有最小的方向銳角，消除柵瓣，抑制旁瓣幅值，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)包括N，d，a及λ（即中心頻率f）。

圖4 線形相控陣列的輻射聲場(chǎng)

電磁聲傳感器相控陣聚焦技術(shù)可以借鑒壓電式超聲導(dǎo)波相控陣聚焦方法，但傳感器基于的物理特性不同，存在本質(zhì)的差別，不能照搬。Maclauchlan等人用有限元數(shù)值模擬方法來優(yōu)化設(shè)計(jì)磁鐵的配置，并采用相控陣的方法來實(shí)現(xiàn)聚焦［25］，該EMAT已達(dá)到32通道、最大100kW的驅(qū)動(dòng)功率，可調(diào)整聲束20000次／s。Sawaragi在原有的4單元相控陣EMAT的基礎(chǔ)上，研制了具有8個(gè)發(fā)射器和8個(gè)接收器的8單元相控陣EMAT［37］，并通過對(duì)管道上的人為缺陷進(jìn)行檢測(cè)，證明了其檢測(cè)性能的提高。

4 板狀結(jié)構(gòu)缺陷超聲波成像技術(shù)

EMAT對(duì)噪聲十分敏感，僅從結(jié)構(gòu)上優(yōu)化往往很難達(dá)到滿意效果，對(duì)接收信號(hào)的處理也是EMAT系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必不可少的環(huán)節(jié)［38］。超聲波成像技術(shù)也被應(yīng)用于EMAT接收信號(hào)的處理中。Hutchins等人采用合成孔徑聚焦技術(shù)（SAFT）對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理并成像，同時(shí)對(duì)常用SAFT法作了修正，更適于EMAT信號(hào)的處理［39］。1993年 Hutchins對(duì)鋁板中的孔類缺陷［40］進(jìn)行了層析成像研究。試驗(yàn)表明，采用脈沖激光源和電磁聲換能器接收產(chǎn)生的蘭姆波信號(hào)可用于薄板材料的結(jié)構(gòu)變化層析成像。斯坦福大學(xué)的Chun H和Fu－Kuo Chang等人［41］研究了綜合時(shí)間反轉(zhuǎn)成像方法和合成孔徑技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)損傷的監(jiān)測(cè)。

當(dāng)板材中有缺陷存在時(shí)，Lamb波傳播到缺陷位置時(shí)有一部分發(fā)生了反射和散射［42］，大部分還是繞過了缺陷繼續(xù)向前傳播，當(dāng)遇到大的反射邊界時(shí)又反射回來被EMAT接收裝置接收。由于缺陷對(duì)Lamb波傳播的“阻隔”作用，使得最終接收到的Lamb波信號(hào)能量比沒有缺陷時(shí)變小了，反映在時(shí)域波形上就是反射波包的幅值變小，此外由于缺陷對(duì)Lamb波的反射作用，使得有一部分Lamb波反射回去被接收裝置接收，這時(shí)就會(huì)有一個(gè)小的波包出現(xiàn)，較原來沒有缺陷的情況而言，波形會(huì)發(fā)生較大畸變。通過波形對(duì)比觀察，如果邊界反射波包幅值有衰減，就可以判斷接收探頭與反射邊界之間存在缺陷。根據(jù)邊界反射波包的衰減程度，可以判斷缺陷的大小。同時(shí)還可以根據(jù)缺陷反射波包的幅值大小來判斷缺陷的大小，通過它在時(shí)間軸上出現(xiàn)的時(shí)間來計(jì)算出具體的缺陷位置。然而，由于系統(tǒng)的其他自然變化（如溫度等）引起信號(hào)的各種改變，這種與基準(zhǔn)信號(hào)模式比較的方法很容易導(dǎo)致?lián)p傷誤報(bào)。為了減小對(duì)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的依賴性，根據(jù)時(shí)間反轉(zhuǎn)方法的思想，將聚焦時(shí)刻結(jié)構(gòu)中各點(diǎn)的波動(dòng)幅值顯示出來，能量最大的地方為聚焦處，即損傷處，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)損傷的成像監(jiān)測(cè)。在計(jì)算機(jī)中處理波形數(shù)據(jù)，成像算法是核心，對(duì)于一個(gè)含有N個(gè)超聲探頭的EMAT陣列采用相控陣掃查，首先輪流選擇一個(gè)探頭作為激勵(lì)器，其它探頭作為傳感器，獲得各方向的損傷散射信號(hào)，再利用這些信號(hào)對(duì)損傷進(jìn)行合成成像，采用改進(jìn)的成像算法：

式中Amn為權(quán)值系數(shù)，為簡(jiǎn)單起見，在后面的成像中均取相同的放大系數(shù)，取值為1010；fmn為第m個(gè)探頭激勵(lì)，第n個(gè)探頭接收到的損傷散射信號(hào)絕對(duì)值包絡(luò)；Rijm和Rijn分別為該像素點(diǎn)到激勵(lì)探頭m和接收探頭n的距離；t0為輸入激勵(lì)信號(hào)的時(shí)刻；v為L(zhǎng)amb波傳播速度。式（4）各符號(hào)可以用圖5說明［43］。

圖5 損傷成像時(shí)間反轉(zhuǎn)法原理

5 有待解決的問題

電磁超聲傳感器在鐵磁材料中激勵(lì)蘭姆波的換能結(jié)構(gòu)和機(jī)理模型，以及磁致伸縮機(jī)制在弱磁化狀態(tài)下影響換能效率的主導(dǎo)機(jī)制是整個(gè)研究的基礎(chǔ)和難點(diǎn)，理論上應(yīng)盡量減少各種能量的泄露，提高電、磁、力、聲波等能量的相互轉(zhuǎn)換效率，因此，需先對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值分析，換能器中從電能轉(zhuǎn)換為聲波能的每一功能部件都要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和計(jì)算，并用試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

電磁超聲相控陣的優(yōu)化設(shè)計(jì)，雖然可以借鑒一些現(xiàn)有的壓電式傳感器陣列布置，但電磁超聲傳感器與壓電式傳感器有本質(zhì)的不同，因此還需對(duì)電磁超聲導(dǎo)波的聚焦特征、激勵(lì)信號(hào)的時(shí)間延遲和幅值控制對(duì)聚焦的影響、激勵(lì)點(diǎn)與目標(biāo)間的距離變化條件下聚焦的潛力等進(jìn)行大量的理論和試驗(yàn)研究。

電磁超聲導(dǎo)波平板無損檢測(cè)定量化的研究是建立在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，尋找并提取可以體現(xiàn)定量化的特征信息參數(shù)，通過反演重構(gòu)方法，建立缺陷與檢測(cè)／接收信號(hào)間的關(guān)系模型。由于導(dǎo)波具有多模式及頻散特性，給檢測(cè)信號(hào)的辨識(shí)增加了難度，需要在時(shí)域、頻域與空間域選取多種信號(hào)處理技術(shù)和算法，建立導(dǎo)波反射信號(hào)與缺陷類型的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

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