线圈结构对EMAR测量衰减系数的影响

邓超然,杨润杰,王冬梅,翟国富

(1.哈尔滨工业大学电器与电子可靠性研究所，黑龙江哈尔滨 150001；2.哈尔滨国铁科技集团股份有限公司，黑龙江哈尔滨 150001)

0 引言

金属构件在使用过程中，会不可避免的出现微损伤等现象，这些微损伤如果持续发展，会严重影响构件的性能，从而影响整体结构的可靠性。因此，需要对金属构件的状态进行评估。超声作为常规的无损检测方式之一，在试件厚度、宏观伤损检测方面得到了广泛应用。随着超声非线性、谐振态等新型检测方法的深入研究，超声检测技术也在金属材料内部结构检测与评估[1-4]、复合材料的孔隙率检测[5-7]等领域得到应用。声衰减系数与试件的高阶弹性系数有较强的相关性[8-9]，而试件早期损伤往往会引起自身高阶弹性常数的变化。对于复合材料而言，孔隙率会影响到材料的实际性能。空隙会造成超声的散射衰减，从而影响试件的声衰减系数。因此，声衰减系数的测量对评估试件状态有重要意义。

传统的声衰减方法主要是通过测量2次回波之间幅值衰减。但是这种方法并没有考虑到试件中可能出现的横纵波转换问题，而且在实际测量过程中，可能出现第2个回波比第1个回波幅值更大的现象[10]，需要结合其他方式得到声衰减系数。电磁超声谐振技术 (EMAR) 可以在一定程度上避免这个问题。在谐振点处，同一位置处的质点振动处于相位高度相同的状态，其声场衰减情况类似于自由振动衰减，测得的声衰减系数会更加真实[11]。

现有研究主要集中在数据的解读上，对EMAR所采用的换能器结构以及不同结构换能器的声场特性和对测量结果的影响研究较少。由于超声检测本身是研究试件与声场的交互作用而且EMAR本身属于高灵敏度的检测方式，对声场更为敏感，因此声场的特性对测量结果应有重要影响。

本文拟通过仿真分析不同的换能器线圈结构激励出的声场区别，推测其可能对衰减系数测量的影响。在此基础上，分析不同形式线圈结构组合对衰减系数测量结果的影响，最终得到具有普遍适用性的一种线圈结构类型。

1 体波换能器声场分析

目前体波换能器的声场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软件对不同换能器结构的声场进行分析。

EMAR目前使用的换能器结构与常规的体波换能器结构基本一致。因此本文在进行研究时，重点参考现有体波换能器的结构。换能器采用发射接收分离配置，同时，为了避免发射接收换能器之间的干扰，将换能器配置在试件两端。本文建立的仿真模型如图1所示。

图1 仿真模型示意图

在仿真实验中，将试件厚度设置为4 mm，横波波速为3 200 m/s，纵波波速为6 000 m/s。根据谐振点计算公式，可以得到试件的横波谐振点间隔为400 kHz，纵波谐振点为750 kHz。仿真选定的谐振频率为3 200 kHz，仅满足横波的谐振条件，可以避免可能激励出的纵波对结果的影响。激励时间选择为20 μs，完全可以满足发射信号与反射回波叠加。

在仿真时，需要充分考虑多种线圈的区别，因此在进行仿真时，考虑了尽量多的线圈类型。由蝶形线圈激励出的声场偏振方向更加复杂，在进行检测时会引入材料的各向异性等因素，并不十分适用于衰减系数测量的场合。因此，本文在仿真时重点考虑蝶形线圈和单导线线圈。

仿真得到的蝶形线圈和单导线线圈的声场分布云图如图2所示。从图2可以看出，蝶形线圈激励出的声场在线圈中间的区域较为平整，但是在线圈两端存在一些弧形的振动，而且在两端的声场强度均匀性显著下降。说明中心强度比两端的强度要强。如果仅考虑声场的情况，那么对于这种声场而言，两端和中心区域测出来的衰减系数可能会略有区别。同理，对于单导线而言，其声场更像是一个弧面，其中心区域测的声场强度可能更符合实际的衰减情况。声轴线上的衰减系数测量结果应该较为真实，声轴线以外的衰减系数测量结果可能存在较大的差别。

(a)单导线激励声场云图

2 不同形式线圈对测量结果的影响

根据前文可知，蝶形线圈和单导线线圈在线圈的正下方声场均可以呈现出较为平整的分布，但是两者的声场仍略有不同。本文在分析发射接收线圈形式时，将发射接收线圈分别设置为单导线线圈、蝶形线圈，共有4种组合形式，在建模时保证发射接收线圈的中心线对齐。

选择接收线圈中的电流密度作为评价标准。由于激励时间较长，可以看到图3中回波呈现出明显的叠加效果，幅值也随着时间而逐渐衰减。满足衰减系数的测量要求。考虑4种情况下的信号分布特性，选取30 μs时的幅值作为归一化的基准点，求取接收信号的有效值包络并进行归一化处理。处理后的结果如图4所示。

由图3、图4可以看出，仿真得到的幅值衰减曲线存在一些微弱的区别，主要表现为幅值衰减的幅度存在微弱区别。对其进行曲线拟合，得到的幅值衰减系数解析式如表1所示。

(a)发射接收线圈均采用单导线

图4 归一化后的回波信号有效值包络

由表1可以看出，4种配置形式中，蝶形线圈发射蝶形线圈接收的形式产生的偏差相对较大，推测是发射接收线圈结构以及放置的相对位置引起的。而且，从结果中可以看出，线圈带来的影响大概在20%左右，而且采用单导线的组合形式结果较为接近，说明利用发射接收均采用蝶形线圈结构带来的影响很大，有必要对蝶形线圈的声场特征进行进一步研究。

表1 测量得到的衰减系数

3 线圈组合结果的区别研究

根据前文的结果，如果测量衰减系数时，仅采用蝶形线圈组成的发射接收线圈，则得到的衰减系数与其他3种形式存在很大的偏差。结合图2中的声场仿真结果，蝶形线圈和单导线线圈激励出的声场存在一定的不同，因此推断造成上述现象的原因是声场存在较大的不同。

根据表1中测得的声衰减系数，无论是蝶形线圈发射单导线线圈接收还是单导线发射蝶形线圈接收，其声衰减系数偏差很小，可以认为蝶形线圈和单导线线圈在声轴线上的声场情况较为接近，那么主要的区别应该在于蝶形线圈在非声轴线上的声场衰减情况与单导线激励出的声场存在很大的区别。

为了研究上述猜想的正确性，本文在前文的蝶形发射单导线接收以及单导线发射单导线接收模型的基础上，测量试件对面距离声轴线有一定位移偏差的点的振动速度，并求解各测量点的衰减系数。将2种情况下的声轴线处的衰减系数作为2种情况下的归一化标准值，得到2种情况下的声衰减系数随测量点的位移变化曲线见图5。

图5 不同位置测得的衰减系数

由图5可以看出，单导线发射与蝶形线圈发射的声场的衰减系数变化趋势存在较为明显的不同，其中蝶形线圈的衰减系数变小趋势更加明显，可以认为蝶形线圈作为激励线圈的情况下，离发射线圈较远处的声场衰减程度较慢。单导线也有类似现象，但是整体的衰减程度更为一致，回波信号衰减程度更为一致。

4 实验验证

为了验证上述观点的可行性，本文利用RITEC5000设计了如图6所示的实验。由于实际使用过程中往往只能在试件单面放置线圈，本文在设计换能器放置方式时，也采用单面放置的方式，考虑到本技术需要进行扫频，在实验时并没有进行调谐。在线圈结构上，选择单导线接收蝶形线圈发射、蝶形接收单导线发射以及发射接收均为蝶形线圈3种结构形式。

图6 实验示意图

实验测得的谐振谱如图7所示，从谐振峰的测量结果来看，选择了2.5～3 MHz之间的谐振点作为衰减系数测量频率点。测得的时域衰减曲线如图8所示。图8中2个频段下的衰减系数均体现出一些与仿真结果相似的结论。在发射接收线圈中采用单导线形式的线圈的2种线圈组合形式在衰减系数的测量结果上较为接近。

图7 3种线圈组合形式测得的谐振谱

(a)2.524 MHz时的衰减曲线

但是蝶形发射接收线圈测得的衰减系数变化情况与仿真结果的变化趋势相反，即测得的衰减系数比蝶形发射单导线接收以及单导线发射蝶形接收2种形式更大。本文认为有如下原因：

(1)实验时采用的线圈参数与仿真所设置的参数并不完全相同，其提离距离等参数存在影响；

(2)实验中采用的试件参数与仿真不完全一致，试件内部可能存在不均匀性，从而使得实验结果与仿真结果出现明显的区别；

(3)实验时所采用的发射接收线圈的放置方式为试件单侧放置，而仿真时采用的是发射接收线圈分置试件两侧，而且实验时仅采用了单一永磁体，可能是由于配置不同带来的影响。

5 结束语

利用EMAR方法测量超声信号的衰减系数时，需要考虑换能器所采用的线圈结构，不同线圈结构带来的测量结果存在一定的偏差。其中，采用蝶形线圈发射接收会对测量结果产生较大误差，从而影响实验结果。在进一步的研究中发现，激励线圈的形式对试件中的声场影响十分显著，蝶形线圈激励出的声场在试件中由于多导线激励的声场叠加效果，其衰减系数低了很多，可能是由于蝶形线圈在激励过程出现了横纵波转换的情况，而且不同位置处的发射线圈在接收线圈处的声场叠加存在延时，在满足一定条件下，使得整体声场的强度增加了，从而使得测得的衰减系数出现了明显的下降。

在上述仿真结果基础上进行了实验研究，实验结果表明发射接收线圈仅采用蝶形线圈的结果与蝶形线圈发射单导线接收、单导线发射蝶形线圈接收存在较大差异。因此，在利用EMAR方法进行试件的声衰减系数检测时，需要考虑线圈的分布形式。采用单导线线圈发射接收可以得到最准确的衰减系数，采用蝶形线圈发射、单导线接收的形式可以兼顾接收信号的幅值以及衰减系数的可信度。而采用蝶形线圈进行发射接收时，由于接收线圈处的声场存在多声源的叠加情况，会导致测量的衰减系数出现明显不同，其具体变化情况与实验的配置方式有较强的相关性。