EMAT周向Lamb波单向管道缺陷的检测方法

2021-12-09沈显庆马志鹏

黑龙江科技大学学报 2021年6期

沈显庆，杨莹，马志鹏，王贺，张恒

(黑龙江科技大学电气与控制工程学院，哈尔滨 150022)

0 引言

电磁超声换能器(EMAT)是以电磁耦合方式在试件中直接产生超声波，管道中可以传导沿管道平行方向的轴向导波和沿管道圆周表面传播的周向导波，周向导波按照导波类型又分为周向SH波和周向Lamb波两种[1-2]。King等[3]在研究铝管振动波时证实管道中存在周向Lamb波。Qu等[4]指出了Lamb波的频散特性与频散曲线。Chen等[5]使用周向Lamb波检测了管道中的缺陷。康磊等[6]通过改变磁铁和线圈分布,优化了EMAT的性能。刘素贞等[7]仿真分析了周向Lamb波的响应特性，以及缺陷形状和深度对回波的影响。传统电磁超声换能器发射方向多，使对称结构下的管道缺陷处两端同时发生反射，从而缺陷处回波信号复杂且不能保证缺陷与采集到的回波信号一一对应的问题[8-11]。针对上述问题，笔者在建立单方向EMAT的有限元模型，仿真周向 Lamb 波传播过程，研究单一缺陷下缺陷的位置在EMAT作用下的反射回波，以期给出基于EMAT周向Lamb波单方向的管道缺陷检测方法。

1 EMAT的设计与模型

1.1 双线圈组激励的EMAT

文中设计的EMAT在传统的回折线圈的基础上添加了一组辅助线圈，双线圈组激励的EMAT如图1所示。

图1 双线圈组激励EMATFig. 1 Double coil group excitation EMAT

由图1可见，在传统的回折形线圈的基础上，线圈添加了一组与其相同且平行于其辅助线圈，组成了单向Lamb波EMAT。其中，线圈组1为辅助线圈，线圈组2为主线圈永磁体在线圈附近提供水平磁场，A、B为线圈下的两个质点。假设超声波的波长为λ，则单一的回折线圈的回折间距为d=λ/2，其与相邻的辅助线圈之间的间距为d/2=λ/4。主线圈2中电流激励时间延迟辅助线圈1中激励电流时间T/4。因此，向主线圈通入高频电流I(t),频率为f,则需要向辅助线圈组1通入超前1/4个周期的高频电流I(t+T/4),T=1/f。延迟通入激励电流会使振动产生一个振动差，一个周期内的两线圈延迟时间差分别为T/4、T/2、3T/4和T时，质点随时间振动位移波形，如图2所示。

图2 A、B两点随时间振动位移波形Fig. 2 Waveforms of vibration displacement with time at two points A and B

当频率和振动方向相同、相位差恒定的波相遇时，其合成的波场中的振动由于惠更斯叠加原理一部分振动位移增强，另一部分振动位移减弱。单向传播Lamb波激发原理如图3a所示。

在辅助线圈1和主线圈2中通入频率和幅值相同、相位差为90°的高频脉冲电流。理想状态下，在t=nT时刻，辅助线圈下的质点A开始产生超声波；在t=nT+T/4时刻，主线圈下的质点B开始产生超声波，与已经传播了λ/4的辅助线圈下的质点A共同作用。线圈右侧质点合位移叠加为原来的2倍，左侧质点合位移减弱至零。

一个周期内两质点A、B的振动情况如图3b所示。在经过T/4后向右传播的超声Lamb波质点B由两线圈产生超声波叠加增强，质点A由两线圈产生超声波抵消减弱。因此，可以通过改变两线圈的电流相位来控制声波主能量的传播方向，进而利用增强侧的高幅值声波检测微小缺陷。

图3 单向EMAT原理Fig. 3 Principle of one-way EMAT

1.2 周向Lamb波仿真模型

周向Lamb波二维仿真模型如图4所示。铝管上方放置蹄形磁铁产生水平磁场与激励线圈组成的EMAT在铝管上激发周向Lamb波。仿真中铝管外半径为50 mm，内半径为49 mm，主、辅助线圈截面半径为0.2 mm，两个线圈的匝数均为4，外加环境空气域，设置低反射边界防止反射回波对采集信号造成的影响。

图4 周向Lamb波二维仿真模型示意Fig. 4 Schematic of circumferential Lamb wave two-dimensional simulation model

由于铝管的内外半径之比为98%，可以近似将其视为一个平面，利用EMAT在平面铝板上获得的结论应用到铝管上，由此，可以得到周向Lamb波的相速度和群速度频散曲线。周向lamb波的频散曲线如图5所示。由图5可知，类Lamb波存在多模态，低频率时，至少存在两种模式的类Lamb波，且随着激励频率的增大，类Lamb波呈多模态。

图5 周向Lamb波的频散曲线Fig. 5 Frequency dispersion plot of a circumferential Lamb wave

由图5可以看出，管道中存在多种模式的导波。随着Lamb波传播过程中群速度变化率的增大，频散现象越明显。为尽量避免多模态的类Lamb波导致研究内容变复杂，选用激励频率为1 MHz的CLamb 0为主模态。辅助线圈和主线圈通入的激励电流信号均为高斯窗调制的正弦脉冲。

主线圈电流控制方程为

i(t)=βe-α(t-τ)2cos[2πf(t-τ)]。

(1)

辅助线圈电流控制方程为

i(t+π/4)=βe-α(t+π/4-τ)2cos[2πf(t+π/4-τ)]，

(2)

式中：β——激励电流幅值；

α——带宽系数；

τ——与波形对称轴有关常数；

f——脉冲中心频率。

2 单向Lamb波声场的仿真

建立管道EMAT单向Lamb波的二维平面模型图，以模型中管道圆的圆心为坐标轴的(0,0)点，建立平面直角坐标系进行辅助分析，在坐标(0,50)的位置上，放置单向EMAT令其为M点，分析坐标(49.5,0)点的质点振动，令其为N点，单方向周向Lamb波模型示意如图6所示。

图6 单方向周向Lamb波模型示意Fig. 6 Schematic of single-direction circumferential Lamb wave model

利用设计的单向Lamb波EMAT模型，传统的EMAT模型仿真可以通过仅向主线圈通入高频激励电流实现。而单方向周向Lamb波EMAT模型仿真需要先向辅助线圈通入高频激励电流，T/4个周期后向主线圈通入同样频率幅值的激励电流即可。图7a、b为传统EMAT和单方向EMAT时，N处的径向振动位移。

图7 N点CLamb 0的径向位移波形Fig. 7 Radial displacement waveform of Clamb 0 at N point

由于管道的对称结构，在检测时，会同时向顺时针和逆时针方向传递波包，因此，N点会在接受到顺时针波包的半个周期后接收到逆时针的波包，由图8可知，传统的EMAT会得到振幅相同的两个波包，而单方向的EMAT增强了顺时针CLamb 0波，削弱了逆时针CLamb 0波。经过峰值对比可以得到，增强倍数为2.16倍，削弱的倍数为0.32倍。

3 铝管缺陷的定位检测

3.1 两次检测的缺陷定位方法

铝管上缺陷位置如图8所示。将单方向周向Lamb波EMAT放置在图8中M(0,50)的位置，分析点N位置的径向振动位移。

图8 铝管上缺陷位置Fig. 8 Defect location on aluminum tube

由图8可见，等分为四个域，将缺陷b放置在深色区域，缺陷a放置剩下的3/4空白区域时缺陷的位置关系为，当270°<α<0°时

(3)

当0°<α<90°时

(4)

式中：t1——周向Lamb波到达质点处的时间；

t2——缺陷反射的回波到达处的时间；

r——管道半径；

α——缺陷a到质点N处的圆心角角度；

β——缺陷b到EMAT的圆心角角度；

v——Lamb波的群速度。

由式(3)、(4)可得，2α+180°=β，表明此时缺陷a和缺陷b的反射回波同时到达N点。为克服该问题，采用一种经过两次检测的方法，如图9所示。换能器在M位置第一次测量空白域缺陷后将其调转至P再次测量。每次测量范围为270°，经过两次测量能保证周向检测全覆盖。

图9 缺陷定位方法Fig. 9 Defect localization method

3.2 缺陷定位的检测

EMAT模型各缺陷分布如图10所示。对(35.35，-35.35)、(-35.35，-35.35)、(-35.35，35.35)处形状为0.5 mm×0.2 mm的矩形缺陷在两种EMAT的作用下仿真N点径向振动位移。

图10 EMAT 模型各缺陷分布示意Fig. 10 Distribution of defects in EMAT model

两次缺陷检测相同，因此，仅研究一次缺陷检测过程，缺陷位置的设置可以很好反映检测过程。各缺陷在传统ETMA周向Lamb模型中质点N的径向振动位移如图11所示。图中，CLamb 0表示顺时针传播的波包，aCLamb 0表示逆时针传播的波包，R0表示顺时针缺陷回波，aR0表示逆时针缺陷回波。

各缺陷在单方向ETMA周向Lamb模型中质点N的径向振动位移如图12所示。对比分析三个缺陷位置在传统EMAT和单向EMAT下的质点径向位移波形，由图12可以明显看出，单向EMAT在检测缺陷时可以放大顺时针传播的波包和缺陷回波，放大后的波包和缺陷回波的波形幅值平均为传统EMAT缺陷检测回波波形的2.14倍。