图1 相控聚焦示意图
Fig.1 Schematic diagram of phase control focusing
杨理践， 刘珂丞， 高松巍， 邢燕好
(沈阳工业大学 信息科学与工程学院， 沈阳 110870)
摘 要：为了提高钢板中电磁超声回波信号，提出了一种基于相控技术的钢板电磁超声检测方法.研究了相控聚焦技术和钢板中电磁超声换能器的换能机理，通过多阵元组成激发换能器阵列，运用延时法使超声波在目标区等相位叠加，实现超声波聚焦，并在Q235钢板上采用分立式结构进行实验验证.结果表明：该方法有效弥补了收发换能器间声程差引起的相位偏移，激励电压一致时，658 mm处接收的回波信号幅值提高为中心换能器单独激发时的2倍；采用三阵元激励换能器阵列检测方法可实现缺陷处的超声波聚焦，520 mm处缺陷回波幅值提高为中心换能器单独激发时的1.83倍.
关 键 词：电磁超声； 相控技术； 换能器阵列； 延时法则； 等相位叠加； 超声波聚焦； 相位偏移； 回波信号
钢板在生产及长期的使用过程中不可避免地会存在少量缺陷，同时受外部加载及环境的影响也会引起钢板内部细小缺陷的进一步扩展.电磁超声检测技术具有非接触、无需加入耦合剂、无需对待测试件表面进行复杂预处理的优点[1]，可用于大面积、快速全面地评估金属板材的健康状况，在工业无损检测领域具有广泛的应用前景.
相控技术应用于超声领域，可有效克服单换能器能量分散和信号幅值小等缺点，通过聚焦方法能够有效增强局部能量，提高对微小缺陷的检测能力[2]，国内外学者对相控技术和以此发展来的阵列技术进行了大量研究.白培瑞等以xMATRIX超声换能器结构为原型，对二维超声阵列换能器的两种时域声场进行了仿真分析[3]；相控聚焦和反聚焦原理在超声领域的应用，有效实现了缺陷目标处的能量聚焦[4]；吴斌、何存富等采用导波聚焦方法实现对缺陷的聚焦，提高了检测能力[5-6]；Lee等将四阵元SH波EMAT置于板材的四角，利用聚焦算法准确定位板中缺陷的位置[7]；Lucklum等设计了一种EMAT阵列，通过多通道相位控制来实现超声波方向和类型的控制[8]；蔡明飞等研究了在单、多通道相控发射时的激励波形生成方法，并实现了高精度的相控延时发射[9].
本文研究了相控聚焦技术和钢板检测中电磁超声换能器(EMAT)的换能机理，以电磁超声换能器为阵元组成激励换能器阵列，运用延时法则控制各阵元激励，使激发的超声波聚焦在接收端，实现等相位叠加，回波信号幅值达到最大.
超声波在钢板中传播时会伴随着频散效应和多模态效应，且某些模态在高频时发生严重散射，导致能量分散，信号识别比较困难.本文结合相控技术，以电磁超声换能器作为阵元，构成电磁超声换能器阵列，通过时间延时实现波束聚焦，大大提高了局部超声波能量和回波信号幅值.
1.1 相控聚焦技术
超声相控阵可通过聚焦技术提高方位分辨力，提高局部能量，对微小缺陷具有较强的检测能力.将多个换能器作为阵元按一定形状排列，构成超声相控换能器阵列，通过精准的时间延时调整各阵元发射信号的相位延迟，使各阵元发射的超声波束在目标处按惠更斯原理进行叠加合成[10]，从而实现超声波声束聚焦.
将2N+1个相同阵元排列成线性阵列，先激励两端阵元，延迟一段时间后邻近的一对阵元开始发射，距离目标区越近发射越晚，由此使各阵元同时到达目标区，即相控焦点P，实现了相控声束聚焦，聚焦示意图如图1所示.
图1 相控聚焦示意图
Fig.1 Schematic diagram of phase control focusing
将中心阵元作为整个阵列的相位参考，考虑第n个典型阵元，则
l=nd
(1)
L2=F2+l2
(2)
式中：d为相邻阵元间距；l为阵元n距中心阵元距离；L为阵元n距焦点距离；F为聚焦深度.
第n阵元与中心阵元到聚焦点P的声程差为
Δs=F-L
(3)
则第n阵元的延时值为
(4)
式中：c为超声波传播速度；t0为避免负值延时所加常数.
将式(1)～(3)代入式(4)可得
(5)
若阵元数为偶数2N时，则延时值为
(6)
每个阵元所加延时Δtn抵消了不同阵元到达聚焦点因声程差引起的相位偏移，使波束等相位叠加在聚焦点位置，获得最大超声波能量.
相控聚焦技术通过对超声换能器阵列中各阵元进行不同的延时处理，信号频率相同，各阵元发出的超声波是相干的，通过精准的延时来弥补各阵元到聚焦位置因声程差引起的相位差，各阵元发射的超声波将等相位地到达聚焦位置，此时超声波能量最强，信号幅值达到最大.
1.2 单阵元EMAT换能机理
电磁超声换能器是电磁超声技术的核心部分，用于待测钢板中超声波的激励与接收，由励磁器、线圈和待测试件三部分组成.由电磁场理论可知，待测试件在静态偏置磁场和动态感应磁场的复合作用下产生力或形变，通过洛伦兹力、磁化力和磁致伸缩应变三种耦合机理将电磁场能量转换为机械能，钢板中激发原理图如图2所示.
图2 钢板中电磁超声激发原理图
Fig.2 Excitation principle of electromagnetic ultrasonic in steel plate
钢板中EMAT激发超声波，先由EMAT激发出电磁场，然后电磁场与待测钢板相互作用产生力场，最终力场使钢板中质点振动形成超声波场.钢板中EMAT的激发机理包括磁化力机理、洛伦兹力机理和磁致伸缩机理三种，用数学模式进行描述，则磁化力可表示为
fM=(
M0)B
(7)
式中：M0为磁化强度矢量；B为动态磁通密度矢量.
洛伦兹力可表示为
fL=Je×B0
(8)
式中：Je为涡流密度矢量；B0为静偏置磁场强度矢量.
磁致伸缩力可表示为
fMS=-(eTH)
(9)
式中：e为磁致伸缩系数矩阵，该系数可由实验获得；H为动态磁场强度矢量.
相比其他两种力，磁场中磁偶极子受到的磁化力作用十分微弱，在钢板中主要依靠磁致伸缩力和洛伦兹力共同作用激发超声波.
2.1 实验系统
本文实验研究基于图3所示的实验系统，在长1 500 mm、宽1 000 mm、厚6 mm的Q235钢板上进行相关实验.采用美国Ritec公司的大功率RAM-5000-SNAP超声系统作为激励装置，对产生的高频脉冲信号进行阻抗匹配，而后施加在电磁超声换能器的线圈上，在永磁铁施加的水平方向偏置磁场作用下，使钢板内部质点产生机械振动，从而形成超声波在钢板内传播.接收换能器对接收到的微弱信号进行放大处理，经滤波电路滤波后，送入RAM-5000-SNAP系统，处理后的回波信号可由示波器进行显示.
图3 电磁超声实验系统框图
Fig.3 Block diagram of experimental system for electromagnetic ultrasonic
采用收发一体式EMAT时，由于在钢板中传播时板波的多模态特性使得信号繁杂，难以判断，且端面反射又会引入新的模态分量，增加了问题分析的复杂性.本文采用收发分立式EMAT，简化了模态分析问题，发射换能器阵列与接收换能器相对放置，且为了避免端面反射的影响，均与板面呈一定倾斜角摆放，实验装置示意图如图4所示.
图4 换能器阵列实验装置示意图
Fig.4 Schematic diagram of experimental device for transducer array
换能器线圈采用PCB技术制作，采用钕铁硼永磁铁提供水平方向的偏置磁场，与三个线圈一起分别构成激励换能器阵列的阵元1、2、3，三阵元纵向排列成激励换能器阵列.接收线圈R1与提供水平偏置磁场方向的永磁铁一起构成接收换能器，用于钢板中超声波的接收.
2.2 钢板中的超声波聚焦
基于物理特性及产生机理的不同，电磁超声相控聚焦技术可以借鉴压电超声相控阵聚焦方法，但具有一定的差别.考虑到换能效率问题，电磁超声换能器阵元需要合理的线圈和磁铁匹配方式，本身尺寸较大，数值计算时不可忽略.
在Q235钢板上采用如图4所示的三阵元激励换能器阵列激发超声波，单换能器接收，收发换能器相对放置，且接收换能器正对激励阵元2，相对位置如图5所示.
通过控制换能器阵列中各阵元激励脉冲的时间延迟，改变各阵元发射超声波到达接收端时的相位关系，实现目标处超声波聚焦.对于激励换能器阵列的各阵元，可得
图5 收发换能器相对位置示意图
Fig.5 Schematic relative position of exciting and receiving transducers
L=d/sinθ
(10)
l′=d/tanθ
(11)
式中：L为激励阵元1距接收换能器距离；l′为阵元2距接收换能器距离；θ为偏移角.阵元1、2到接收端的声程差为
Δl=L-l′=d/sinθ-d/tanθ
(12)
则需要延时弥补的相位偏移量为
(13)
式中，λ为超声波波长.
激励信号满足
c=λf
(14)
式中，f为激发频率.实现等相位叠加需满足
(15)
θ-d/tanθ)
(16)
式中，Δt为所需的延时时间.
通过数值计算，可以得出换能器阵列激发超声波实现等相位叠加时需要进行的延时时间和补偿相位，从而使超声波束聚焦在偏移角为θ，与中心阵元距离为l′的位置上，增强回波信号.
由式(15)、(16)分析可知，在钢板上进行超声波聚焦，脉冲串激发频率和超声波的传播速度会对延时时间和相位偏移产生影响，需对施加到线圈两端的脉冲串激发频率和钢板中超声波传播速度进行校定.
1) 激发频率校定.调节超声波激励装置参数，设置脉冲串激发频率为470 kHz，对加载在线圈两端的激励脉冲串衰减40 dB进入示波器观察，如图6所示.由图6可知，脉冲周期T为2.1 μs，则线圈两端加载脉冲串的实际频率为
(17)
由式(17)计算可得，实际频率f为476.2 kHz.
图6 激励脉冲串
Fig.6 Excitation of pulse train
2) 超声波传播速度校定.发射换能器阵列与接收换能器相对放置，设置激发频率为470 kHz，装置示意图如图7所示.
图7 换能器阵列位置示意图
Fig.7 Schematic diagram of transducer array position
接收换能器与阵元2正对放置，初始时置于A位置，两者距离658 mm.移动接收换能器至B位置，A、B距离Δs′为400 mm，分别测得回波信号如图8所示.由图8可知，接收端从A位置移动到B位置，回波信号在时域内延时为Δt′，值为120.75 μs，则超声波在钢板内实测传播速度为
(18)
计算得实际传播速度c为3 312.6 m/s.在Q235钢板中进行聚焦实验，设置激励频率为470 kHz，收发换能器距离为658 mm，调节参数使换能器阵列中阵元1、2、3单独激发时的回波信号幅值相等，单阵元激发时回波信号如图9所示.
对各阵元通过延时调整进行相位补偿，使超声波等相位聚焦在接收端，阵元1、2等相位激发时回波信号幅值增长为单阵元激励时的2倍，如图10a所示，再加入阵元3实现聚焦后，回波信号幅值增长为单阵元激励时的3倍，如图10b所示.
换能器阵列中相邻阵元间距d为55 mm，接收换能器与发射换能器阵列的阵元2正对放置，距离为658 mm，偏移角为4.778°，则接收换能器置于A位置时，各阵元聚焦在接收端所需的时间延时和相位补偿可由式(15)、(16)计算得到.将实验测得数据与数值计算进行比较，结果如表1所示.
图8 声速校定回波信号
Fig.8 Echo signal for velocity calibration
图9 单阵元激发回波信号
Fig.9 Echo signal for single array element excitation
图10 多阵元激发回波信号
Fig.10 Echo signal for multi array element excitation
以阵元1作参考，聚焦时阵元2、3的延时误差和对应的相位偏移误差如表2所示.由表2可知，钢板中超声波聚焦时的延时和相位偏移误差较小，数值计算结果与实验结果基本吻合，验证了数值计算与实验的正确性和可靠性.
表1 实验结果与数值计算比较
Tab.1 Comparison between experimental results and numerical calculation
表2 延时与相位偏移误差
Tab.2 Errors of time delay and phase deviation
2.3 基于相控的电磁超声换能器阵列检测
采用收发分立式换能器激发与接收超声波，设置激发频率为470 kHz，调节阵元1、2、3使其激励电压相同，收发换能器距离658 mm，三阵元电磁超声换能器阵列作激励，接收换能器正对激励阵元2相对放置，所得的回波信号如图11所示.
回折型EMAT激发的超声波具有一定的指向性，声场强度会随辐射半张角的增加而迅速衰减.阵元1、3与接收换能器具有一定的倾斜角，回波幅值较小，如图11a、c所示，激励阵元2与接收换能器正对放置，信号幅值较大，如图11b所示.对激励阵元进行延时控制，实现接收端超声波聚焦，回波波形如图11d所示.三阵元激发的超声波等相位聚焦在接收端时，回波信号能量最强，幅值最大，为中心阵元2单独激发时的2倍.
图11 换能器阵列回波信号
Fig.11 Echo signal for transducer array
在Q235钢板上对微小缺陷进行检测，设置激发频率为470 kHz，发射换能器阵列与接收换能器相对放置，示意图如图12所示.
槽形缺陷长40 mm，宽1 mm，深2 mm，与接收换能器和激励换能器阵列的中心阵元2在一条直线上，由于辐射阵元1、3与缺陷具有一定倾斜角，产生的信号较弱，采用中心阵元2的双倍电压激励，测得缺陷回波信号如图13所示.
图12 缺陷检测示意图
Fig.12 Schematic diagram of defect detection
图13 缺陷检测回波信号
Fig.13 Echo signal for defect detection
由图13a、b对比可知，中心阵元2单独激发时，缺陷信号淹没在噪声信号中，几乎不可见.采用三阵元换能器阵列激发超声波，通过延时使超声波在缺陷处聚焦，有效提高了缺陷回波幅值，为中心阵元单独激发时的1.83倍.
本文通过分析得出如下结论：
1) 电磁超声换能器阵列各阵元通过精准的延时控制，使超声波在目标区等相位叠加，实现超声波聚焦，激励电压一致，收发换能器距离658 mm时回波信号幅值为中心换能器单独激发时的2倍，有效提高了信号幅值；
2) 钢板中基于相控技术的三阵元激励换能器阵列检测方法可有效实现缺陷处的超声波聚焦，距离换能器阵列520 mm处缺陷回波幅值增强为单换能器激发时的1.83倍，相对噪声信号可识别，提高了对微小缺陷的检测能力.
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(责任编辑：钟 媛 英文审校：尹淑英)
YANG Li-jian, LIU Ke-cheng, GAO Song-wei, XING Yan-hao
(School of Information Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China)
Abstract：In order to improve the electromagnetic ultrasonic echo signal in the steel plate, an electromagnetic ultrasonic detection method for steel plate based on phase control technique was proposed. The phase control focusing technique and the transduction mechanism of electromagnetic ultrasonic transducer in steel plate were studied, and the excitation transducer array was composed of multi array elements. With the time delay rule, the equiphase superposition of ultrasonic was achieved in the target area, and the ultrasonic focusing was realized. In addition, the experimental verification was carried out on Q235 steel plate with the discrete structure. The results show that the proposed method can effectively compensate the phase deviation caused by the sound path difference between exciting and receiving transducers. When the excitation voltage is consistent, the amplitude of the echo signal received at 658 mm from the transducer array increases as 2 times as that of echo signal with the single excitation of central transducer. With the three-element excitation transducer array detection method, the ultrasonic focusing of defects can be realized. Furthermore, the amplitude of defect echo signal at 520 mm increases as 1.83 times as that of echo signal with the single excitation of central transducer.
Key words：electromagnetic ultrasonic; phase control technique; transducer array; time delay rule; equiphase superposition; ultrasonic focusing; phase deviation; echo signal
收稿日期：2015-12-25.
基金项目：国家自然科学基金资助项目(61571308)； 科技部国家重大仪表专项基金资助项目(2012YQ090175)； 国家863计划项目(2012AA040104).
作者简介：杨理践(1957-)，男，湖南长沙人，教授，博士生导师，主要从事管道检测及无损检测技术等方面的研究.
信息科学与工程
doi：10.7688/j.issn.1000-1646.2016.05.07
中图分类号：TG 115.28
文献标志码：A
文章编号：1000-1646(2016)05-0513-07
*本文已于2016-05-12 14∶01在中国知网优先数字出版. 网络出版地址：http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160512.1401.024.html