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(南昌航空大学 无损检测教育部重点实验室，南昌 330063)

与传统的压电式换能器相比，电磁超声换能器(EMAT)由于不需要耦合剂、较粗糙表面也可以直接探伤等特点，已经被广泛应用于高温、移动、在线、快速检测等恶劣环境中[1-2]，特别是传统压电超声所不能适用的检测场合。由于曲折线圈EMAT换能效率低、信噪比低，为了解决这一难题，国内外学者主要针对其机理进行了大量研究，包括对相邻线圈之间的间距、线圈长度以及磁铁的大小、提离距离、接收方式等[3]。为了能够增强曲折线圈EMAT的检测效果，特别是针对微小裂纹或点状缺陷，研究者们提出了聚焦EMAT，其采用圆弧形曲折线圈，以实现超声波能量的聚焦。例如，2016年THRING C B等介绍了一种提高EMAT检测分辨率的新方法，该方法使用经过优化的聚焦EMAT产生2 MHz的表面波。这种高频率表面波可以检测到毫米级深度缺陷，可以检出长为2 mm，宽为1.5 mm的缺陷，缺陷长度上限为(2.1±0.5) mm[4]。2017年THRING C B等提出采用声波聚焦的方式来提高表面破裂缺陷的信号强度和检测精度，使用2 MHz的激励信号，聚焦深度为(3.7±0.25) mm，允许缺陷长度测量精度为±0.4 mm，可用于检测长度为1 mm和深度小于0.5 mm的缺陷[5]。

目前关于聚焦表面波EMAT与圆孔、裂纹的作用规律还有待进一步深入，为此，笔者主要针对曲折线圈表面波EMAT换能效率和信噪比低这一问题，提出了点聚焦表面波EMAT，进行了声场分析和影响参数分析，并与传统的曲折线圈EMAT进行了对比，最后搭建了点聚焦表面波EMAT探头，并进行了铝板检测试验研究。

1 点聚焦表面波EMAT声场特性及其影响因素

1.1 点聚焦表面波EMAT换能机理

基于洛伦兹力换能机理的点聚焦表面波EMAT如图1所示。其机理为：激励发射装置在圆弧线圈内通以高频交变电流，并在试件集肤深度内产生与之方向相反的涡流；涡流在钕铁硼永磁体的强磁场作用下，引起质点产生周期性的振动和弹性形变；由于表面波EMAT线圈的相邻导线间距l严格等于表面波波长的二分之一，因此圆弧线圈各匝导线激发的高频振动会发生相长干涉，进而产生沿试件表面传播的电磁超声表面波。图1中，Jc为激励电流，JE为镜向电流，Bs为电磁感应强度，fL为感应力。圆弧线圈上各个质点受到的力均垂直于线圈，能够逐渐聚焦于一点并产生点聚焦表面波，从而能检测一定深度范围内的表面缺陷,缺陷检测模型如图2所示。

图1 点聚焦表面波EMAT换能机理示意图

图2 缺陷检测模型

接收装置是发射的逆过程，具体换能机理如下：当超声波遇到端面或者缺陷以后，反射波到达接收线圈的正下方，引起材料晶格发生形变，当有外加磁场的情况下就会在材料中产生电涡流，并在空气中形成动态磁场，而在线圈中产生感应电压，作为超声波被接收。

1.2 电磁超声点聚焦表面波传播有限元模型构建

为研究点聚焦表面波的形成条件及圆弧曲折线圈对其换能效率的影响，建立了点聚焦表面波在铝板中的传播三维有限元模型。被检测材料设置为一个半径为100 mm，厚度为20 mm的铝圆盘，在铝圆盘表面布置k匝等间距的等弧度线圈，然后直接对每匝线圈加载相应的载荷，激励力的加载方式如图3(a)所示，该激励力用于表示在偏置永磁场作用下，脉冲电涡流形成的洛伦兹力，其函数为：

(1)

式中：k为线圈每匝导线的序号；角频率ω=2πf，f为中心频率；n为正弦脉冲串个数;t为激励力作用时间。

笔者通过稳态分析研究频率分别为0.5,1.0,1.5 MHz下的声场发散规律。对于瞬态模型，仿真频率统一设置为0.45 MHz，然后对构建的模型进行网格划分，选择扫掠网格，选中需要进行网络划分的区域，选择定制单元尺寸，对最大单元尺寸参数进行设置，全部构建，完成网格区域划分。对应的网格划分后的模型如图3(b)所示。

图3 点聚焦表面波在铝圆盘中传播的有限元模型

1.3 点聚焦表面波声场特性分析

如图4所示，在足够大的铝板上布置4匝圆弧线圈，设置线圈之间间距为3 mm,将需加载载荷的线圈设置为四分之一圆，对应的奇数匝加载一个正向的线作用力，偶数匝加载一个反向的线作用力，均以单位长度力的类型进行加载。经计算后对结果进行后处理，频率0.5，1.0，1.5 MHz对应的三维模型声场分布如图4所示。

图4 不同频率下的点聚焦表面波聚焦声场

为了更加直观地观察铝块模型表面及近表面的声场分布，取垂直于圆盘上下表面且平分圆弧线圈的截面，截面上的声场分布如图5所示。由图5可知：随着频率的增大，超声波的聚焦声场也会发生改变，当频率由0.5 MHz增加至1.5 MHz时，超声波由点聚焦表面波转为聚焦体波。

图5 不同激励频率对应点聚焦表面波在铝盘截面上的 声场分布图

图6 点聚焦表面波EMAT和曲折线圈EMAT产生的 表面波的瞬态声场快照(时间为2.2×10-5 s)

1.4 点聚焦表面波EMAT声场影响规律分析

为了分析点聚焦表面波EMAT对微小缺陷检测的能力，将其与传统曲折线圈EMAT的声场特性进行对比。运用单一变量法，设置同样长度、线宽、匝数的线圈以及同样尺寸的圆孔以及斜裂纹缺陷，每匝线圈均施加一个0.5 MHz频率的单位体积激励力。图6(a)所示为传统曲折线圈EMAT产生的表面波，图6(b)所示为点聚焦表面波(圆弧线圈)EMAT形成的聚焦表面波。由图6可知：圆弧线圈产生的表面波逐渐聚焦于圆心处，曲折线圈产生的表面波平行于线圈向外传播。

当两种线圈EMAT产生的表面波经过φ10 mm孔时，缺陷回波的强度不同，两种线圈对圆孔缺陷回波的声场快照如图7所示(时间为3.8×10-5s)。由图7可知：曲折线圈EMAT对应的缺陷回波信号较微弱，而用点聚焦表面波EMAT检测则能够观察到较明显的缺陷回波。图8所示为点聚焦表面波EMAT和曲折线圈EMAT产生的表面波对φ10 mm圆孔缺陷的检测结果对比图，点聚焦表面波EMAT和曲折线圈EMAT对应的最大缺陷回波幅值约为0.23×10-22,0.03×10-22mm,前者约为后者的8倍。

图7 点聚焦表面波EMAT和曲折线圈EMAT产生的 表面波与孔的相互作用声场快照

图8 点聚焦表面波EMAT和曲折线圈EMAT对 φ10 mm圆孔缺陷的检测回波幅值对比

为了对比检测不同类型缺陷的仿真效果，设置了长为40 mm、宽为2 mm的条形斜裂纹缺陷，缺陷位置均设置在垂直于线圈中轴线位置上，绘制两种线圈对应的仿真云图及缺陷波强度信号图，对比分析两种线圈对缺陷回波的接收情况。

图9为两种线圈对斜裂纹缺陷检测的仿真云图，从缺陷回波信号的传播可以看出，点聚焦EMAT对微小斜裂纹缺陷的检测能力较强。两种线圈对斜裂纹缺陷检测的信号强度如图10所示。圆弧、曲折线圈对应的最大回波接收幅值约为0.45×10-22，0.11×10-22mm,信号幅值提高了近4倍。

图9 点聚焦表面波EMAT和曲折线圈EMAT产生的 表面波对斜裂纹的相互作用声场快照(时间为3.8×10-5 s)

图10 点聚焦表面波EMAT和曲折线圈EMAT对 裂纹的检测回波幅值对比

在圆盘表面设置相邻间距均为3 mm的10匝线圈，分别选中圆弧角度为30°,60°,90°的圆弧施加作用力，奇数匝线圈施加正方向的单位长度力，偶数匝施加反方向的单位长度力，添加完美匹配层，圆盘侧面及下表面设置为低反射边界，划分网格并进行计算，然后对结果进行后处理，取最外层线圈为接收线圈进行力的线积分，得到线圈接收信号如图11所示。

图11 点聚焦表面波EMAT的线圈长度对 超声波信号的影响

由图11可知，当圆弧线圈角度逐渐增大即圆弧线圈长度逐渐增加时，接收信号的幅值也逐渐增大，30°,60°,90°线圈对应的最大幅值信号约为0.49×10-15，1.15×10-15，1.64×10-15mm。由此可见，增大圆弧线圈尺寸可以提高接收线圈的信号幅值。

针对不同线圈匝数对点聚焦EMAT缺陷回波信号接收的影响，在铝圆盘上分别从外到内依次选取4,8,10,14匝线圈进行有限元计算，在圆心处设置φ8 mm大小的通透圆孔，得到线圈匝数对圆孔缺陷的超声回波幅值的影响如图12所示。

图12 点聚焦表面波EMAT的线圈匝数对 圆孔反射波信号的影响

由图12可知，线圈匝数越多，接收线圈接收到的信号强度越大且对应的波包宽度也随之增加。

2 点聚焦表面波EMAT检测试验

2.1 试验系统介绍

试验设计了曲折线圈EMAT和点聚焦表面波EMAT，相邻线圈间距均为3 mm,匝数为10匝，导线宽0.15 mm，其中，圆弧激励线圈和接收线圈的圆弧角分别为20°,26°。探头实物外观如图13所示，图14为缺陷的电磁超声检测系统结构框图，图15为点聚焦表面波EMAT检测界面信号示例。

图13 点聚焦表面波EMAT探头实物外观

图14 缺陷的电磁超声检测系统框图

图15 点聚焦表面波EMAT检测界面信号示例

图16 点聚焦表面波EMAT和曲折线圈EMAT检测 φ5 mm圆孔的A扫波形

2.2 点聚焦表面波EMAT与曲折线圈EMAT的对比试验

为了对比点聚焦表面波EMAT与曲折线圈EMAT对点缺陷的实际检测能力，选用铝薄板并对其φ5 mm的圆孔缺陷进行检测，得到图16所示检测结果。由图16可知：点聚焦EMAT能够接收到明显的缺陷回波，而曲折线圈EMAT无法接收到明显的缺陷回波。

2.3 点聚焦表面波EMAT聚焦声场特性验证

接下来研究点聚焦EMAT缺陷检测随距离的变化规律。对一φ5 mm圆孔实施检测，如图17所示，将点聚焦表面波EMAT对准缺陷并找到最大回波位置处，记录下最大信号幅值，然后分别向靠近缺陷及远离缺陷的位置移动，以探头前沿到缺陷之间的距离为自变量，分别取1.5，3，4.2，6，9，12，15，18 mm这8个位置，记录下各位置的缺陷回波对应的最大幅值，利用Origin软件进行绘制，得出点聚焦EMAT检测的缺陷回波幅值随探头位置变化的关系曲线，如图18所示。

图17 点聚焦表面波EMAT检测示意

图18 点聚焦EMAT检测的缺陷回波幅值随探头位置 变化的关系曲线

由图18可知，当缺陷位置与探头前沿距离约为4.2 mm时对应的缺陷回波幅值最大，缺陷波幅为6.30 mV。随着两者间距的增大或减小，缺陷回波幅值逐渐减小。

2.4 铝板中圆孔的点聚焦表面波EMAT检测试验

对铝板上不同大小的圆孔进行检测，接收到的信号如图19所示，其中波包A为电磁串扰信号，波包B为接收线圈接收到的激励始波，波包C为缺陷回波，波包D为铝板左端面回波。可见，随着圆孔直径的减小，接收线圈接收到的缺陷回波幅值逐渐减小，对于φ2.5 mm以上大小的圆孔均能较为明显地检测出来。

图19 不同尺寸圆孔的点聚焦表面波EMAT检测 A扫信号对比

3 结论

针对传统曲折线圈EMAT换能效率低且对点状缺陷不易检出的问题，分析点聚焦表面波EMAT的声场特性和影响因素，及其与圆孔、裂纹的声场作用规律，并进行了含圆孔的铝板检测试验，得到以下结论：

(1) 与传统曲折线圈EMAT相比，点聚焦表面波EMAT具有良好的聚焦特性，表面波能够聚焦于一点。

(2) 增加EMAT的线圈长度和线圈匝数，有利于提高点聚焦表面波EMAT的换能效率。

(3) 相比于曲折线圈EMAT，点聚焦表面波EMAT能够将信号幅值提高数倍，能检测出曲折线圈EMAT无法检测出的点状缺陷。