脉冲压缩在钢板腐蚀电磁超声SH导波检测中的应用_石文泽.pdf

http:/DOI:10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0229脉冲压缩在钢板腐蚀电磁超声 SH 导波检测中的应用石文泽1，2，黄祺凯1，卢超1，3，*，邱发生1，陈尧1，陈果1(1.南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室，南昌330063；2.中科院声学研究所声场声信息国家重点实验室，北京100190；3.赣南师范大学江西省数值模拟与仿真技术重点实验室，赣州341000)摘要：将 Barker 码脉冲压缩技术应用于水平剪切(SH)导波电磁超声换能器(EMAT)，对提高在役钢板腐蚀检测回波的信噪比(SNR)和空间分辨率，以及实现大范围在线快速扫查具有重要的工程应用价值。建立基于 Barker 码信号激励的钢板 SH 导波传播有限元模型，结合实验分析与数值计算，分析了 Barker 码序列长度、码元长度、EMAT 设计参数、提离等因素对脉冲压缩后缺陷回波的信噪比和波包宽度的影响，并与传统单一频率脉冲串激励方式进行对比实验。结果表明：与单一频率脉冲串激励方式相比，采用 Barker 码脉冲压缩技术，可以将缺陷波的 SNR 提高 5.8dB；当 EMAT 提离为 3.0mm 时，经过脉冲压缩后的缺陷回波 SNR8.7dB，而采用单一频率脉冲串激励方式对应的 SNR 接近于 0dB；当 Barker 码信号序列长度为 13 位、码元长度为 15s 时，能检测深度为 1mm、直径为 20mm 的圆孔，且 SNR25.4dB。关键词：钢板；水平剪切导波；电磁超声换能器；Barker 码；脉冲压缩中图分类号：TH878；TB552文献标志码：A文章编号：1005-5965（2023）02-0324-11金属板材广泛应用于建筑、船舶、核电、化工等领域，腐蚀缺陷是金属板材服役过程中最常见的失效形式，严重影响其服役的安全性和可靠性1。金属薄板广泛适用于高压燃料贮存罐、高温高压锅炉等大型耐压壳体，其外径和高度通常可达到几十米甚至几百米，这类薄板必须保持高度气密性，而严重腐蚀造成的壁厚减薄将导致其气密性下降，因此有必要对在役金属薄板进行大范围快速在线无损检测，预防液气泄露甚至燃烧爆炸等严重意外事故的发生2。腐蚀多为具有减薄特征的任意形状缺陷，通常采用人工预制圆孔和球孔来模拟腐蚀坑3-5，以此作为模拟缺陷当量大小的对比依据。传统的超声体波或超声时差衍射法由于只能实现点对点检测，虽然缺陷检测灵敏度较高，但很难适合在役金属薄板的大范围在线快速检测6。常规压电超声要求换能器与试样之间充分接触以产生足够能量的超声导波，而在役钢板恶劣的表面状况将严重影响压电超声的耦合效果和缺陷检测能力7。激光超声虽然拥有非接触检测的特点，并在腐蚀缺陷检测上有一定的工程应用8-9，但仪器成本高、检测环境要求高。电磁超声导波因其传播距离远、检测效率高、不需要耦合剂等优点，广泛应用于高低温、金属薄板和薄管的大范围在线快速检测10-11。在役金属薄板表面的杂质、油污、水滴、锈蚀等将严重影响lamb 导波的检测距离和检测灵敏度，但是水平剪切(shearhorizontal,SH)导波质点振动与金属试样表面平行，仅存在面内位移，受上述在役钢板表面杂物的影响较小12-13。虽然 SH 导波具有频散和多模态特性，但基础模态 SH0不会发生频散，导波模态转收稿日期：2021-05-06；录用日期：2021-05-28；网络出版时间：2021-06-1515：27网络出版地址： J.北京航空航天大学学报，2023，49（2）：324-334.SHI W Z，HUANG Q K，LU C，et al.Application of pulse compression technique in steel plate corrosion detection with SH guided waveEMATsJ.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2023，49（2）：324-334（in Chinese）.2023年2月北京航空航天大学学报February2023第49卷第2期JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronauticsVol.49No.2换较少，有利于波包分离，降低了检测难度14。由此可见，电磁超声 SH 导波技术兼具非接触检测和单点激励、长距离大范围检测等优点，将其应用于含表面附着物(表面杂质、锈蚀、局部不平整、油污等)的在役金属薄板的大范围在线快速检测具有重要的工程应用价值15。然而，超声导波与腐蚀缺陷作用时，大部分导波能量将被腐蚀缺陷的弧面散射出去，接收到的反射波能量普遍较低，因此，在役钢板腐蚀缺陷快速导波检测的难度相对较大。另外，由于电磁超声换能器(electromagneticacoustictrans-ducer,EMAT)换能效率低和信噪比差、检测回波受提离影响较大等问题，限制了电磁超声 SH 导波检测技术在在役钢板腐蚀缺陷大范围在线快速检测中的广泛应用12。脉冲压缩技术可以有效提高磁超声换能器检测回波的信噪比(signal-to-noiseratio,SNR)和空间分辨率，可以在不增加 EMAT 检测系统中的功放输出功率和低噪音抑制能力的条件下，极大程度地提高缺陷检测能力。国内外学者已经将脉冲压缩技术应用于超声检测，例如 Ricci 等16将脉冲压缩技术应用于高衰减锻钢厚度的压电超声检测，指出脉冲压缩技术能提高检测回波的 SNR 和空间分辨率。石文泽等17将 chirp 信号脉冲压缩技术应用于高温连铸坯电磁超声检测，经过脉冲压缩后，超声回波的 SNR 提高 19dB，波包宽度减少 62.4%。Zhu和 Wu18将编码脉冲压缩技术应用于岩石压电超声检测，发现线性调频信号、正弦调制 Barker 码、线性调频 Barker 码对应的 SNR 相比传统单脉冲激励方式分别提高了 8.00dB，11.58dB，8.53dB。An 等19将脉冲压缩技术用于天然气管道压电超声检测，在包络提取等处理后，消除了管道弯头的干扰，经过脉冲压缩和匹配滤波后，脉冲噪声、高斯白噪声水平显著降低。Fu 等20将线性调频 Barker 码脉冲压缩应用于压电超声成像检测，经脉冲压缩和失配滤波处理后，主旁瓣比(peak-to-side lobe ratio,PSL)从22.3 dB显著提高到 40.0dB。Barker 码信号激励得到的超声信号经过脉冲压缩处理后，在主瓣两侧会产生旁瓣，将严重干扰小缺陷的判定。Zhou 等21将小波分析和脉冲压缩应用于空气耦合超声检测，但实际测得的 PSL 远低于理论值，仅为 6.99dB。张慧琳和宋小军22发现最小均方差逆滤波器相比于加权匹配滤波器对旁瓣抑制效果更好，PSL 为 63.59dB，不影响 Barker 码对应的接收信号幅度，但在实际检测中，接收信号受噪音影响较大。宋寿鹏和乔梦丽23将非线性调频Barker 码脉冲压缩技术应用于金属板材超声检测，减小了噪声信号干扰，可以检出板材焊缝中的裂纹、未焊透、未熔合、气孔和夹渣等缺陷。综合文献 16-23 所述，国内外关于脉冲压缩技术在超声检测中的应用研究涉及较多，包括压电超声、空耦超声、电磁超声等，但将 Barker 码脉冲压缩技术用于电磁超声 SH 导波检测的研究较少，需要进一步完善，特别是在 Barker 码激励参数与 EMAT参数匹配和选择方面，还存在许多问题，例如 Barker码序列长度、码元长度、永磁体对数等参数对单一模态导波激励、外部噪音抑制能力、快速检测能力(减少同步平均次数)、EMAT 提离(粗糙表面适应能力)等的影响，这些因素都会影响 EMAT 检测回波的 SNR 及空间分辨率。针对上述问题，本文通过采用实验和数值分析相结合的方式，分析不同 Barker码序列长度、码元长度、永磁体对数、EMAT 提离等参数对 SH 导波 EMAT 检测回波的信噪比、波包宽度的影响，验证了 Barker 码脉冲压缩技术在钢板腐蚀缺陷电磁超声 SH 导波检测中的应用优势。1SH 导波传播有限元建模和脉冲压缩算法实现1.1SH 导波 EMAT 换能机理基于洛伦兹力机理的 SH 导波 EMAT 换能机理如图 1 所示。当跑道线圈中通以高频大功率激励电流，将在试样表面产生频率相同、方向相反的感应电涡流 Je。Je在周期性永磁体序列(periodicper-manentmagnet,PPM)提供的静态偏置磁场 Bs作用下，产生洛伦兹力 fL，并带动金属薄板表面质点振动，在薄板长度方向产生 SH 导波。zyO周期永磁序列偏置磁场 Bs感应涡流 Je洛伦兹力托 fL跑道线圈NSNS图1基于洛伦兹力的 PPM-EMAT 换能机理Fig.1PPM-EMATconversionmechanismbasedonLorentzforce1.2SH 导波 EMAT 设计参数及有限元建模采用圆孔来模拟钢板的腐蚀缺陷，建立含深度为 3mm、直径为 20mm 圆孔的金属薄板 SH 导波传播有限元模型如图 2 所示，建模参数如表 1 所示。将 PPM-EMAT 在钢板表面形成的洛伦兹力简化为加载方向相反、间距 d 为 7mm 的 16 个面载荷区域，对应 8 对永磁体。当有限元模型的最大网格单元大小为 1.6mm，瞬态求解器中最大计算步长为 0.05s，计算结果收敛。第2期石文泽，等：脉冲压缩在钢板腐蚀电磁超声 SH 导波检测中的应用325SH 导波的多模态效应会影响脉冲压缩效果，由于高阶模态 SH 导波遇到缺陷、变截面或端面将会发生频散，使高阶模态导波波包与 Barker 码参考信号有一定区别，导致脉冲压缩后的主瓣宽度和主瓣峰值难以进行较大幅度地改善。因此，当 SH0导波和高阶 SH 导波对应的回波波包重叠时，将降低缺陷检测回波的 SNR 和空间分辨率，从而减低了缺陷检测能力，所以应当抑制高阶模态，减小对检测能力的影响。图 3 为 SH 导波在钢板中的频散曲线。永磁体宽度为 7mm，以 2 倍磁铁宽度为斜率绘制曲线，SH0模态工作点为 0.23MHz，而在实际检测中，钢板厚度、永磁体宽度、实际声速与理论声速存在误差，因此实际选取的工作点应在 0.23MHz附近。对于 PPM-EMAT，永磁体对数和脉冲激励电流的持续时间影响其所激励的 SH 导波模态成分。增加永磁体对数和激励电流的持续时间有利于实现单一模态 SH 导波的控制。当永磁体对数为 8 对、面载荷函数持续时间为 130s，即 2 个完整周期数时，SH 导波在钢板横截面的传播瞬态云图如图 4 所示。由图 4 可知，当激励频率为 0.2MHz、周期序列永磁体宽度为 7mm 时，SH 导波在与缺陷作用前、作用时、作用后 3 个过程，仅产生单一 SH0模态，因此，实验中激励频率选为 0.2MHz。1.3Barker 码脉冲压缩算法及旁瓣抑制方法Barker 码是单次发射的二进制编码序列，通过匹配滤波可以进行脉冲压缩，并获得较低的距离旁瓣24-25。目前已知最长的 Barker 码序列长度为 13，其峰值旁瓣水平 PSL 为 22.3dB26。PSL 可以衡量脉冲压缩距离旁瓣抑制效果。PSL 计算方式如下：PSL=20lg1N（1）N式中：为 Barker 码的序列长度。umvs13 位Barker 二进制序列为1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1，将正弦脉冲串作为 Barker 码序列的码元，以此作为 EMAT 的激励信号。激励信号和码元序列可以表示为um=N1k=0CkvmkMm=0,1,NM1（2）vs=f(sTcM1)s=0,1,m10其他（3）TcCk=1式中：f()为子脉冲函数；M 为子脉冲的时间宽度；为码元的持续时间；为 Barker 码编码序列。um将 Barker 码信号加载到 EMAT 线圈，可以扫琼网格 自由四面体网格zyxwswm圆孔dhsls低反射边界面载荷加载区图2SH 导波传播有限元模型