铝薄板裂纹电磁超声导波B扫描检测实验研究

袁阿琳，赖迎庆，石 剑，段检发，卢 超，石文泽

（1. 中国航发南方工业有限公司，湖南株洲 412000；2. 南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室，江西南昌 330063）

0 引 言

铝板已被广泛用于航空航天领域[1]，为降低耗油量，大型飞机C919机身的主要材料为航空铝合金薄板，占了总重量的 70%[2]。铝板在制造过程中容易产生夹杂、裂纹等缺陷，如果未能及时检出这些缺陷，其制件在装机后，在高强度的服役过程中易造成重大事故[3]。现有的板材检测技术主要有射线检测[4]，渗透检测[5]，涡流检测[6]，磁粉检测[6]和超声检测[7]。超声检测由于灵敏度高、穿透力强、对缺陷形貌评价准确等优点，被广泛用于板材缺陷检测[7]。齐子诚等[8]开展了钢板超声检测工艺研究，并对钢板内部不同深度缺陷进行超声检测实验研究，研究结果表明超声波能有效检测钢板内部深度范围为20～100 mm、内φ5 mm平底孔当量的缺陷。对于大型金属薄板构件，使用传统超声纵波探头逐点检测效率低，迫切需要新的检测方法。超声导波具有传播距离远，检测范围广等优点，被广泛用于板状构件检测[9]。周正干等[10]研究过铝薄板兰姆波线扫描检测方法，相比线扫描检测，导波成像检测不仅可以提高检测效率，还可以进行检出缺陷定位。卢超等[11]采用迭代重建技术重建铝板中腐蚀缺陷图像。刘增华等[12]运用双压电片激励单一模态兰姆波，结合椭圆成像算法与数据融合方法对有机玻璃薄板进行缺陷成像检测。然而，传统的压电式超声导波对被检件表面光洁度要求高，回波信号幅值和扫查速度受耦合效果影响较大，不利于薄板构件的快速检测。因此，迫切需要一种非接触式的超声导波检测方法用于实现铝薄板的快速在线高效检测。

目前，超声导波的非接触激励和接收方式有脉冲激光式、空耦式、电磁式等[9]，但空耦超声设备和激光超声设备成本高、技术复杂、信噪比较低。电磁超声换能器（Elcctromagnctic acoustic transduccr， EMAT）因不需要耦合剂、较粗糙表面也可直接探伤，具有非接触、容易激发各种超声波模式等优点[13]而得到广泛应用。Liu等[14-15]提出了一种新型的定向磁集中器型 EMAT，在铝薄板中激励 S0模态的兰姆波进行缺陷检测。LIU等[16-17]设计了一种全向型EMAT，用于在铝薄板中激励和接收A0和S0模态的兰姆波。将线圈或者永磁体以一定的排布方式组成EMAT阵列，可显著改善成像质量，凸显裂纹的位置信息[18]。焦敬品等[19]对兰姆波EMAT阵列进行了优化设计，通过对导波检测信号的等相位叠加处理，实现了等厚薄铝板的全周向成像检测。兰姆波和表面波在铝薄板中传播时，铝薄板表面质点作椭圆运动，由于大型薄板构件在生产过程中，薄板表面存在附着物，这会导致兰姆波和表面波快速衰减。水平剪切（Shcar horizontal， SH）导波只有面内位移，不受表面附着物的影响，适合对薄板构件进行快速检测。Scung等[20]发展了一种新的EMAT，用于在薄铝板中产生全向SH导波。刘素贞等[21]分析了SH导波在钢板中的传播特性。刘增华等[22]提出了一种的双线圈全向剪切水平波磁致伸缩贴片换能器激励SH导波，实现了复合板损伤成像。

由于导波存在频散现象，导波检测信号伴随着多模态特征，同时EMAT提离距离的变化和环境噪声会使得信号信噪比较差，这些导致缺陷回波无法识别，需要对检测回波信号进行有效的后处理。超声导波信号具有非平稳随机信号特征，传统傅里叶变换无法获取导波信号在某个特定时间区域的频谱特性，时频分析可以同时在时间和频率方向表征导波信号强度，适合对导波信号进行分析、处理[23]。Daubcchics等[24]提出了一种新的时频分析工具，称为同步挤压小波变换（Synchrosqucczcd Wavclct Transform， SWT）。SWT是小波分析和重新分配技术的结合[25]，具有高时频分辨率和可逆的特点，对高斯白噪声干扰具有较好的鲁棒性[26]。与S变换、连续小波变换和经验模态分解等时频分析方法相比，SWT可以较好地改善频率混叠现象，信号提取效果优于其他时频分析方法[26-27]。由于导波的频散特性，导波信号会出现多个模态混叠，导致无法有效识别缺陷回波。Liu等[28]使用SWT对兰姆波信号进行模式识别和重构，实现了单一兰姆波模态的自动提取。在现场检测过程中，EAMT提离及检测环境带来的噪声干扰，会使得信号的信噪比较差。胡松涛等[29]采用 SWT去除表面波信号中的强噪声，实现了提离条件下钢轨踏面裂纹的快速成像检测。由于将电磁超声导波应用于铝薄板的快速在线检测存在超声回波信噪比差、导波模态多导致分辨率差等问题，因此将高时频分辨率和可逆特点的SWT应用于导波检测信号处理具有一定的研究价值。

本文采用Dispcrsc软件计算了3 mm厚铝合金薄板的 SH导波频散曲线，并据此设计制作了 SH导波EMAT；利用Matlab软件进行信号重构，验证了SWT在信号去噪和高低阶导波信号分离中的应用效果；最后开展了铝薄板试样裂纹电磁超声检测实验，以验证SWT在SH导波A扫信号和B扫检测中降噪和导波模态分离的实际应用效果。

1 检测方法

1.1 周期性永磁体阵列EMAT换能机理

周期性永磁体阵列EMAT （Pcriodic-Pcrmancnt-Magnct Elcctromagnctic Acoustic Transduccr， PPM EMAT）具有一系列周期性交替的磁极，对于应用于铝薄板检测的PPM EMAT，洛伦兹力是产生SH导波的主要机制[30]，其换能机理如图1所示。跑道线圈沿永磁体的周期性方向延伸，在铝合金薄板表面产生电涡流。电涡流在周期性偏置磁场的作用下，产生平行于铝薄板表面并垂直于导线方向的洛伦兹力，SH导波的原理如图2所示。洛伦兹力在铝薄板中激发SH导波，SH导波波长为两倍的永磁体宽度，洛伦兹力Fl为[31]

图1 洛伦兹力换能机理Fig.1 Conversion mechanism of Lorentz force

图2 电磁超声换能器的SH导波激发原理Fig.2 Principle of SH guided wave excitation by EMAT

其中：Jc为涡流密度；B为静态偏置磁感应强度。

1.2 PPM EMAT设计参数

铝薄板的材料型号为7050，在其中传播横波的声速为3 080 m·s-1，纵波的声速为6 300 m·s-1，其密度为 2 800 kg·m-3。通过 Dispcrsc软件，绘制了3 mm厚的铝薄板的频散曲线，结果如图3所示。PPM EMAT的激励频率越低，SH导波的波长越大，超声回波的分辨率也随之降低。综合考虑 PPM EMAT的激励频率和超声回波的分辨率，采用永磁体宽度为7 mm的PPM EMAT激励SH0模态导波，对铝薄板进行检测。在相速度频散曲线中，绘制红色实线，根据Cph=λf=2df，红色实线的斜率即为SH导波波长。斜率为14的红色实线与SH0的交点为激励EMAT的工作点，即得到 PPM EMAT的激励频率为 0.22 MHz，如图3（a）所示。由图3（b）可知，当激励频率为0.22 MHz时，SH0导波的群速度为 3 080 m·s-1。

图3 铝薄板SH导波频散曲线Fig.3 Dispersion curves of SH guided waves in aluminium sheet

1.3 SWT信号重构方法

1.4 基于SWT的SH导波模态分离仿真

由图3（a）可知，当激励频率很高时，会在铝薄板中同时激励出高低阶SH导波，导致回波信号波包混乱，无法有效识别裂纹回波。使用商业有限元软件构建含有0.22和0.4 MHz频率成分的导波信号来模拟高低模态导波同时存在的情况，构建的导波信号如图4所示。对构建的导波信号进行SWT处理，得到的时频图如图5所示。从图5中可以看出，高阶导波信号和低阶导波信号在频率方向产生分离。对时频图进行切片分析，提取高阶与低阶导波信号在频率方向的同步挤压变换值Tf（ωl，b），并采用式（5）重建高阶与低阶导波信号，重建信号如图6所示。从图6中可以看出，高阶导波信号与低阶导波信号完全分离，说明 SWT可以有效地分离导波模态。

图4 有限元软件模拟的导波信号Fig.4 SH guided wave signals simulated by the finite element software

图5 导波信号的时频图Fig.5 Time-frequency diagram of guided wave signal

图6 高阶导波信号与低阶导波信号分离Fig.6 Separation of high-order and low-order guided wave signals

1.5 基于SWT的SH导波信号消噪仿真

电磁超声导波信号容易受到周围环境的电磁干扰，信噪比（Signal to noisc ratio， SNR）较差。使用商业有限元软件，在低阶导波信号中加入信噪比为10 dB 的高斯白噪声，如图7（a）所示。从图7（a）中可以看出，导波信号的信噪比较差，但仍然可以分辨出低阶导波信号。对含噪声的导波信号进行 SWT处理，提取低阶导波信号在频率方向的同步挤压变换值Tf（ωl，b），并采用式（5） 重构低阶导波信号，重构信号如图7（b）所示。从图7（b）中可以看出，噪声被有效去除，低阶导波信号的信噪比显著提高。得到导波信号的时频图如图8（b）所示。从图8中可以看出，导波信号与噪声在频率方向分离，噪声在高频范围聚集分布。

图7 SWT处理前后信噪比为10 dB的导波信号对比Fig.7 Comparison of guided wave signals with a SNR of 10 dB before and after SWT processing

图8 含噪声导波信号的时频图Fig.8 Time-frequency spectrum of the guided wave signal with noise

在低阶导波信号中加入信噪比为20 dB的高斯白噪声，波形如图9（a）所示。从图9（a）中可以看出，导波信号被噪声淹没，无法识别低阶导波信号。对含噪声的导波信号进行 SWT处理，提取低阶导波信号在频率方向的同步挤压变换值Tf（ωl，b），并采用式（5）重建低阶导波信号，重建信号波形如图9（b）所示。从图9（b）中可以看出，强噪声被有效去除，导波信号的信噪比得到了显著提高。

图9 SWT处理前后信噪比为20 dB的导波信号对比Fig.9 Comparison of guided wave signals with a SNR of 20 dB before and after SWT processing

2 实验系统和试样

铝薄板裂纹电磁超声SH导波检测实验系统如图10所示。由信号发生器（Agilcnt 33220A）产生的激励脉冲信号经过功率放大器（RITEC GA-2500A）放大后，再通过阻抗匹配网络，使激励信号从功率放大器传输到激励EMAT的能量最大化。在洛伦兹力的作用下，铝薄板中激励出SH导波，接收EMAT接收到SH导波信号后，通过阻抗匹配网络使信号幅值最大化，再经过前置放大器（OLYMPUS 5072PR）放大。放大的信号由数据采集卡（ART Tcchnology NET8544）完成模数转换，然后将其传输到计算机以进行信号分析和处理。

图10 实验系统框图图Fig.10 Block diagram of experimental system

铝薄板裂纹电磁超声SH导波检测的布设图如图11所示，人工直裂纹的长度为10 mm，宽度为1 mm，垂直深度为2 mm。激励EMAT与接收EMAT布置在缺陷的同一侧，铝薄板左端面距直裂纹200 mm，直裂纹到接收EMAT的距离为300 mm，激励 EMAT与接收 EMAT间距为 200 mm，激励EMAT距铝薄板右端面200 mm。激励与接收EMAT采用匝数为50的跑道线圈，线圈间距为0.35 mm，跑道线圈的长、宽分别为40和80 mm，单根线圈的外径为0.35 mm。激励与接收EMAT均使用8对永磁体，单个永磁体的长、宽、高分别为20、7、5 mm。激励与接收 EMAT 沿平行于裂纹的方向进行检测，激励 EMAT的激励频率为 0.22 MHz。每隔 3 mm 采集一组 A 扫回波数据，采样频率为40 MHz，同步平均次数为64，共采集61组数据。

图11 薄板直裂纹SH导波检测的布设图Fig.11 Layout of SH guided wave detection of straight cracks in sheets

3 检测结果与分析

3.1 铝薄板试样中直裂纹电磁超声B扫成像检测

当激励与接收EMAT提离距离为0.1 mm时，采集的A扫回波信号如图12所示，从图12中可以明显看到直达波、裂纹回波和两个端面回波，直达波幅值为1 995 mV，裂纹回波幅值为149 mV。采用电磁超声SH导波可实现900 mm长度范围内裂纹的快速检测，相比于传统的超声纵波逐点检测，极大地提高了检测效率。图13为薄板直裂纹对应的基于幅值的B扫描图像。从图13中可以直观地得到裂纹的位置信息，实现了 900 mm×180 mm范围内的成像检测，相比于逐个分析SH导波信号，B扫描检测的效率更高。由于SH导波在铝薄板中传播的过程中，铝合金薄板是全截面振动，当激励与接收EMAT正对直裂纹时，裂纹回波幅值最大。由图13还可知道，当激励与接收EMAT移动75 mm时，激励EMAT、接收EMAT和直裂纹的正中心在同一条直线上。

图12 EMAT提离0.1 mm和激励频率为0.22 MHz时铝薄板中的SH导波信号Fig.12 SH guided wave signal in aluminium sheet when EMAT lifts by 0.1 mm and its excitation frequency is 0.22 MHz

图13 EMAT提离0.1 mm时SH导波信号对铝薄板B扫描检测结果Fig.13 B-scan detection result of the SH guided wave signal for aluminium sheet when EMAT lifts by 0.1 mm

3.2 铝薄板试样中直裂纹大提离B扫描检测

由于铝薄板在生产过程中，薄板表面会有表面附着物，因此，有必要增加激励与接收EMAT的提离距离。当激励与接收EMAT提离距离为2 mm，激励EMAT的激励频率为 0.22 MHz、同步平均次数为64时，采集到的SH导波信号如图14所示。从图12和图14中可以看出，随着激励与接收EMAT提离距离的增加，直达波的幅度由1 995 mV下降到 131 mV，回波信号幅度急剧下降，但仍可以清楚地分辨出裂纹回波。激励与接收EMAT提离距离为2 mm时，得到的B扫描图如图15所示，从图15中可以看出，虽然SH导波信号幅度急剧下降，但B扫描图仍能清楚地显示裂纹回波的位置信息。

图14 EMAT提离2 mm和激励频率为0.22 MHz时铝薄板中的SH导波信号（64组数据平均）Fig.14 SH guided wave signal in aluminium sheet when EMAT lifts by 2 mm and its excitation frequency is 0.22 MHz (average of 64 data sets)

图15 EMAT提离2 mm时SH导波信号对铝薄板B扫描检测结果（64组数据平均）Fig.15 B-scan detection result of SH guided wave signal for aluminium sheet when EMAT lifts by 2 mm (average of 64 data sets)

3.3 SWT在大提离快速成像检测中的应用

当激励与接收EMAT提离距离为2 mm、激励EMAT的激励频率为 0.22 MHz、同步平均次数为64，B扫描图质量很好，但64次同步平均需要时间较长，不利于铝薄板的快速检测。为实现铝薄板的快速B扫描检测，只采集一次，使用SWT对原始信号进行消噪处理。单次采集得到的SH导波信号，如图16所示。从图16中可以看出，单次采集使得SH导波信号出现大量随机噪声，裂纹回波被噪声淹没，无法辨别裂纹回波。采用SWT对单次采集信号进行处理，得到的时频图如图17所示。从图17中可知，SH0导波信号主频成分为0.22 MHz，通过式（4）将时频谱值向中心位置挤压后，SH0导波信号与噪声在频率方向分离，时频曲线更加精细。

图16 EMAT提离2 mm和激励频率为0.22 MHz时单次采集的铝薄板中SH导波信号Fig.16 The single collected SH guided wave signal in aluminium sheet when EMAT lifts by 2 mm and its excitation frequency is 0.22 MHz

图17 相应的单次采集的SH导波信号的SWT时频图Fig.17 SWT time-frequency spectrum of the corresponding single collected SH guided wave signal

提取SH0导波信号在频率方向的同步挤压变换值Tf（ωl，b），并采用式（5）重建A扫信号，结果如图18所示，由图可见重建信号清楚地显示了裂纹回波。当激励信号的脉冲重复频率为20 Hz时，64次同步平均采集超声回波信号所需时间为3.2 s，单次采集并使用SWT处理所需时间为0.05 s。SWT可以显著提高检测效率，实现铝薄板伤损的快速检测。

图18 SWT重建的SH导波信号Fig.18 The SH guided wave signal after SWT processing

当激励与接收EMAT提离距离为2 mm时，采用无同步平均单次采集，进行B扫描，共采集61组数据，结果如图19所示。从图19中可以看出，B扫描图背景噪声太大，无法准确获取裂纹的位置信息。经过SWT处理并重建的图像如图20所示。从图20中可以看出，噪声被有效去除，清晰地显示了人工裂纹在铝合金薄板的位置信息，实现了900 mm×180 mm范围内的快速成像检测。

图19 EMAT提离2 mm单次采集的SH导波信号对铝薄板B扫描检测结果Fig.19 B-scan detection result of the single collected SH guided wave signal for aluminium sheet when EMAT lifts by 2 mm

图20 SWT处理后对应的B扫描检测结果Fig.20 The corresponding B-scan detection result after SWT processing

3.4 SWT在模态分离中的应用

在实际现场检测中，为获得更好的波包分辨率，需要提高激励EMAT的激励频率。当激励与接收EMAT提离距离为0.1 mm，激励EMAT的激励频率为0.55 MHz、同步平均次数为64时，得到的SH导波信号如图21所示。从图21中可以看出，SH导波信号中波包发生了混叠，无法辨别裂纹回波。采用SWT对SH导波信号进行处理，得到的时频图如图22所示。从图22可知，低阶SH导波和高阶SH导波模态在频率方向分离。

图21 EMAT提离距离为0.1 mm和激励频率为0.55 MHz时铝薄板中的多模态SH导波信号Fig.21 Multi-modal SH guided wave signal in aluminium sheet when EMAT lifts by 0.1 mm and its excitation frequency is 0.55 MHz

图22 相应的多模态SH导波信号的SWT时频图Fig.22 SWT time-frequency spectrum of the corresponding multi-modal SH guided wave signal

提取SH低阶与高阶SH导波信号在频率方向的同步挤压变换值Tf（ωl，b），并采用式（5）重建 SH导波信号，重建信号如图23所示。从图23中可知，低阶和高阶SH导波信号分离有效，图23（a）中清楚地显示了裂纹回波。图21中裂纹回波波包的时间长度为 65 μs，图23（a）中裂纹回波波包的时间长度为 50 μs。因此，高频激励可以显著提高波包分辨率，SWT可有效分离高阶与低阶SH导波。

图23 SWT处理后铝薄板中分离的高阶与低阶导波信号Fig.23 High-order and low-order guided wave signals in aluminium sheet separated by SWT processing

4 结 论

通过以上分析，得到结论如下：

（1） SH0导波能够有效地检出3 mm铝薄板试样中10 mm长、1 mm宽、2 mm深的人工直裂纹，利用B扫描可以获取裂纹的位置信息。

（2） 激励与接收EMAT提离会对SH导波信号幅度有较大影响，裂纹SH导波幅度随着提离距离增大而急剧下降。当激励与接收EMAT提离距离为2 mm，同步平均次数为64时，利用B扫描仍然可以获得试样中直裂纹的位置信息。

（3） 当激励与接收 EMAT提离距离为 2 mm、单次采集时，来自裂纹的SH导波信号被噪声淹没，无法有效识别出裂纹SH导波信号，此时单次采集信号形成的B扫描图背景噪声很大，无法获取裂纹位置信息。对单次采集信号进行SWT处理并重建A扫信号后，重建信号可清楚显示裂纹回波，此时B扫描图可清晰地显示了试样中直裂纹的位置信息。

（4） 当激励EMAT采用较高的激励频率时，接收信号中会同时存在低阶与高阶SH导波信号，无法辨别来自试样中直裂纹的 SH导波信号。利用SWT可有效分离低阶与高阶SH导波信号，进而可以识别来自试样中直裂纹的SH导波信号。