鄧超然,楊潤杰,王冬梅,翟國富

(1.哈爾濱工業(yè)大學電器與電子可靠性研究所，黑龍江哈爾濱 150001；2.哈爾濱國鐵科技集團股份有限公司，黑龍江哈爾濱 150001)

0 引言

金屬構件在使用過程中，會不可避免的出現(xiàn)微損傷等現(xiàn)象，這些微損傷如果持續(xù)發(fā)展，會嚴重影響構件的性能，從而影響整體結構的可靠性。因此，需要對金屬構件的狀態(tài)進行評估。超聲作為常規(guī)的無損檢測方式之一，在試件厚度、宏觀傷損檢測方面得到了廣泛應用。隨著超聲非線性、諧振態(tài)等新型檢測方法的深入研究，超聲檢測技術也在金屬材料內(nèi)部結構檢測與評估[1-4]、復合材料的孔隙率檢測[5-7]等領域得到應用。聲衰減系數(shù)與試件的高階彈性系數(shù)有較強的相關性[8-9]，而試件早期損傷往往會引起自身高階彈性常數(shù)的變化。對于復合材料而言，孔隙率會影響到材料的實際性能?？障稌斐沙暤纳⑸渌p，從而影響試件的聲衰減系數(shù)。因此，聲衰減系數(shù)的測量對評估試件狀態(tài)有重要意義。

傳統(tǒng)的聲衰減方法主要是通過測量2次回波之間幅值衰減。但是這種方法并沒有考慮到試件中可能出現(xiàn)的橫縱波轉換問題，而且在實際測量過程中，可能出現(xiàn)第2個回波比第1個回波幅值更大的現(xiàn)象[10]，需要結合其他方式得到聲衰減系數(shù)。電磁超聲諧振技術 (EMAR) 可以在一定程度上避免這個問題。在諧振點處，同一位置處的質點振動處于相位高度相同的狀態(tài)，其聲場衰減情況類似于自由振動衰減，測得的聲衰減系數(shù)會更加真實[11]。

現(xiàn)有研究主要集中在數(shù)據(jù)的解讀上，對EMAR所采用的換能器結構以及不同結構換能器的聲場特性和對測量結果的影響研究較少。由于超聲檢測本身是研究試件與聲場的交互作用而且EMAR本身屬于高靈敏度的檢測方式，對聲場更為敏感，因此聲場的特性對測量結果應有重要影響。

本文擬通過仿真分析不同的換能器線圈結構激勵出的聲場區(qū)別，推測其可能對衰減系數(shù)測量的影響。在此基礎上，分析不同形式線圈結構組合對衰減系數(shù)測量結果的影響，最終得到具有普遍適用性的一種線圈結構類型。

1 體波換能器聲場分析

目前體波換能器的聲場分布特性研究方法主要采用有限元仿真分析的手段，因此本文采用COMSOL軟件對不同換能器結構的聲場進行分析。

EMAR目前使用的換能器結構與常規(guī)的體波換能器結構基本一致。因此本文在進行研究時，重點參考現(xiàn)有體波換能器的結構。換能器采用發(fā)射接收分離配置，同時，為了避免發(fā)射接收換能器之間的干擾，將換能器配置在試件兩端。本文建立的仿真模型如圖1所示。

圖1 仿真模型示意圖

在仿真實驗中，將試件厚度設置為4 mm，橫波波速為3 200 m/s，縱波波速為6 000 m/s。根據(jù)諧振點計算公式，可以得到試件的橫波諧振點間隔為400 kHz，縱波諧振點為750 kHz。仿真選定的諧振頻率為3 200 kHz，僅滿足橫波的諧振條件，可以避免可能激勵出的縱波對結果的影響。激勵時間選擇為20 μs，完全可以滿足發(fā)射信號與反射回波疊加。

在仿真時，需要充分考慮多種線圈的區(qū)別，因此在進行仿真時，考慮了盡量多的線圈類型。由蝶形線圈激勵出的聲場偏振方向更加復雜，在進行檢測時會引入材料的各向異性等因素，并不十分適用于衰減系數(shù)測量的場合。因此，本文在仿真時重點考慮蝶形線圈和單導線線圈。

仿真得到的蝶形線圈和單導線線圈的聲場分布云圖如圖2所示。從圖2可以看出，蝶形線圈激勵出的聲場在線圈中間的區(qū)域較為平整，但是在線圈兩端存在一些弧形的振動，而且在兩端的聲場強度均勻性顯著下降。說明中心強度比兩端的強度要強。如果僅考慮聲場的情況，那么對于這種聲場而言，兩端和中心區(qū)域測出來的衰減系數(shù)可能會略有區(qū)別。同理，對于單導線而言，其聲場更像是一個弧面，其中心區(qū)域測的聲場強度可能更符合實際的衰減情況。聲軸線上的衰減系數(shù)測量結果應該較為真實，聲軸線以外的衰減系數(shù)測量結果可能存在較大的差別。

(a)單導線激勵聲場云圖

2 不同形式線圈對測量結果的影響

根據(jù)前文可知，蝶形線圈和單導線線圈在線圈的正下方聲場均可以呈現(xiàn)出較為平整的分布，但是兩者的聲場仍略有不同。本文在分析發(fā)射接收線圈形式時，將發(fā)射接收線圈分別設置為單導線線圈、蝶形線圈，共有4種組合形式，在建模時保證發(fā)射接收線圈的中心線對齊。

選擇接收線圈中的電流密度作為評價標準。由于激勵時間較長，可以看到圖3中回波呈現(xiàn)出明顯的疊加效果，幅值也隨著時間而逐漸衰減。滿足衰減系數(shù)的測量要求?？紤]4種情況下的信號分布特性，選取30 μs時的幅值作為歸一化的基準點，求取接收信號的有效值包絡并進行歸一化處理。處理后的結果如圖4所示。

由圖3、圖4可以看出，仿真得到的幅值衰減曲線存在一些微弱的區(qū)別，主要表現(xiàn)為幅值衰減的幅度存在微弱區(qū)別。對其進行曲線擬合，得到的幅值衰減系數(shù)解析式如表1所示。

(a)發(fā)射接收線圈均采用單導線

圖4 歸一化后的回波信號有效值包絡

由表1可以看出，4種配置形式中，蝶形線圈發(fā)射蝶形線圈接收的形式產(chǎn)生的偏差相對較大，推測是發(fā)射接收線圈結構以及放置的相對位置引起的。而且，從結果中可以看出，線圈帶來的影響大概在20%左右，而且采用單導線的組合形式結果較為接近，說明利用發(fā)射接收均采用蝶形線圈結構帶來的影響很大，有必要對蝶形線圈的聲場特征進行進一步研究。

表1 測量得到的衰減系數(shù)

3 線圈組合結果的區(qū)別研究

根據(jù)前文的結果，如果測量衰減系數(shù)時，僅采用蝶形線圈組成的發(fā)射接收線圈，則得到的衰減系數(shù)與其他3種形式存在很大的偏差。結合圖2中的聲場仿真結果，蝶形線圈和單導線線圈激勵出的聲場存在一定的不同，因此推斷造成上述現(xiàn)象的原因是聲場存在較大的不同。

根據(jù)表1中測得的聲衰減系數(shù)，無論是蝶形線圈發(fā)射單導線線圈接收還是單導線發(fā)射蝶形線圈接收，其聲衰減系數(shù)偏差很小，可以認為蝶形線圈和單導線線圈在聲軸線上的聲場情況較為接近，那么主要的區(qū)別應該在于蝶形線圈在非聲軸線上的聲場衰減情況與單導線激勵出的聲場存在很大的區(qū)別。

為了研究上述猜想的正確性，本文在前文的蝶形發(fā)射單導線接收以及單導線發(fā)射單導線接收模型的基礎上，測量試件對面距離聲軸線有一定位移偏差的點的振動速度，并求解各測量點的衰減系數(shù)。將2種情況下的聲軸線處的衰減系數(shù)作為2種情況下的歸一化標準值，得到2種情況下的聲衰減系數(shù)隨測量點的位移變化曲線見圖5。

圖5 不同位置測得的衰減系數(shù)

由圖5可以看出，單導線發(fā)射與蝶形線圈發(fā)射的聲場的衰減系數(shù)變化趨勢存在較為明顯的不同，其中蝶形線圈的衰減系數(shù)變小趨勢更加明顯，可以認為蝶形線圈作為激勵線圈的情況下，離發(fā)射線圈較遠處的聲場衰減程度較慢。單導線也有類似現(xiàn)象，但是整體的衰減程度更為一致，回波信號衰減程度更為一致。

4 實驗驗證

為了驗證上述觀點的可行性，本文利用RITEC5000設計了如圖6所示的實驗。由于實際使用過程中往往只能在試件單面放置線圈，本文在設計換能器放置方式時，也采用單面放置的方式，考慮到本技術需要進行掃頻，在實驗時并沒有進行調諧。在線圈結構上，選擇單導線接收蝶形線圈發(fā)射、蝶形接收單導線發(fā)射以及發(fā)射接收均為蝶形線圈3種結構形式。

圖6 實驗示意圖

實驗測得的諧振譜如圖7所示，從諧振峰的測量結果來看，選擇了2.5～3 MHz之間的諧振點作為衰減系數(shù)測量頻率點。測得的時域衰減曲線如圖8所示。圖8中2個頻段下的衰減系數(shù)均體現(xiàn)出一些與仿真結果相似的結論。在發(fā)射接收線圈中采用單導線形式的線圈的2種線圈組合形式在衰減系數(shù)的測量結果上較為接近。

圖7 3種線圈組合形式測得的諧振譜

(a)2.524 MHz時的衰減曲線

但是蝶形發(fā)射接收線圈測得的衰減系數(shù)變化情況與仿真結果的變化趨勢相反，即測得的衰減系數(shù)比蝶形發(fā)射單導線接收以及單導線發(fā)射蝶形接收2種形式更大。本文認為有如下原因：

(1)實驗時采用的線圈參數(shù)與仿真所設置的參數(shù)并不完全相同，其提離距離等參數(shù)存在影響；

(2)實驗中采用的試件參數(shù)與仿真不完全一致，試件內(nèi)部可能存在不均勻性，從而使得實驗結果與仿真結果出現(xiàn)明顯的區(qū)別；

(3)實驗時所采用的發(fā)射接收線圈的放置方式為試件單側放置，而仿真時采用的是發(fā)射接收線圈分置試件兩側，而且實驗時僅采用了單一永磁體，可能是由于配置不同帶來的影響。

5 結束語

利用EMAR方法測量超聲信號的衰減系數(shù)時，需要考慮換能器所采用的線圈結構，不同線圈結構帶來的測量結果存在一定的偏差。其中，采用蝶形線圈發(fā)射接收會對測量結果產(chǎn)生較大誤差，從而影響實驗結果。在進一步的研究中發(fā)現(xiàn)，激勵線圈的形式對試件中的聲場影響十分顯著，蝶形線圈激勵出的聲場在試件中由于多導線激勵的聲場疊加效果，其衰減系數(shù)低了很多，可能是由于蝶形線圈在激勵過程出現(xiàn)了橫縱波轉換的情況，而且不同位置處的發(fā)射線圈在接收線圈處的聲場疊加存在延時，在滿足一定條件下，使得整體聲場的強度增加了，從而使得測得的衰減系數(shù)出現(xiàn)了明顯的下降。

在上述仿真結果基礎上進行了實驗研究，實驗結果表明發(fā)射接收線圈僅采用蝶形線圈的結果與蝶形線圈發(fā)射單導線接收、單導線發(fā)射蝶形線圈接收存在較大差異。因此，在利用EMAR方法進行試件的聲衰減系數(shù)檢測時，需要考慮線圈的分布形式。采用單導線線圈發(fā)射接收可以得到最準確的衰減系數(shù)，采用蝶形線圈發(fā)射、單導線接收的形式可以兼顧接收信號的幅值以及衰減系數(shù)的可信度。而采用蝶形線圈進行發(fā)射接收時，由于接收線圈處的聲場存在多聲源的疊加情況，會導致測量的衰減系數(shù)出現(xiàn)明顯不同，其具體變化情況與實驗的配置方式有較強的相關性。