专利名称：消除电磁超声Lamb波多模式影响的电磁超声探伤检测方法
技术领域：
本发明涉及超声波检测技术领域，具体涉及消除电磁超声Lamb波多模式影响的 电磁超声探伤检测方法。
背景技术：
Lamb波传播距离远、检测效率高，是超声无损检测中应用广泛的一种导波形式。 电磁超声检测技术是较为流行的一种非接触型超声无损检测方式，无需声耦合剂，无需对 试件表面预处理，因此由电磁超声技术激发出的电磁超声Lamb波具有特殊的优势，对大面 积、长距离或深埋地下、有包覆层的金属板状和管状试件的检测尤为适用，并可以用于高温 高速等特殊场合，1991年5月1日公开的公开号为CN1051086A的《电磁超声自动探伤技 术》专利中提到了使用电磁超声Lamb进行钢板检测，并阐述了该探伤技术的检测优势和实 现方法，然而Lamb波具有多模式特性，这种特性会对超声检测带来负面影响。若多个模式 的Lamb波同时在试件中传播，使得接收到的回波信号复杂混乱；若同时又出现缺陷反射信 号，波形将更加杂乱，致使缺陷分辨难度较高而造成检测失败。对于电磁超声Lamb波的多 模式在无损检测中的不利影响，目前国内外还未明确地提出一种有效的消除方法。
发明内容
为了解决目前在采用电磁超声检测方法实现非接触型超声无损检测的过程中，由 于电磁超声Lamb波的多模式特性导致回波信号复杂、无法检测的问题，本发明提供了消除 电磁超声Lamb波多模式影响的电磁超声探伤检测方法。本发明是消除电磁超声Lamb波多模式影响的电磁超声探伤检测方法，它的具体 过程为首先根据电磁超声换能器中的待测试件的材料属性和厚度，确定电磁超声换能器 的曲折线圈的间距L及其波动范围是[L-AL，L+AL]和所述曲折线圈中通以激发电流频 率f及其带宽范围[f-Af，f+Af]，使所述电磁超声换能器的探头在待测试件中激发出单 一模式的电磁超声Lamb波或激发出具有相同传播速度的多种模式的电磁超声Lamb波，然 后，开始检测，采用一个电磁超声换能器的探头向待测试件发出检测信号，并通过所述电磁 超声换能器的探头接收所述检测信号经待测试件内部反折后的检测结果信号，根据对所述 检测结果信号进行数据处理，获得待测试件内部的缺陷位置和大小。本发明的磁超声探伤检测方法，是在现有磁超声探伤检测方法的基础上，在检测前，根据电磁超声换能器中的待测试件的材料特性和厚度获得超声波探头的工作参数，然 后再采用现有的磁超声探伤检测方法进行探伤检测。本发明的有益效果为本发明依据电磁超声Lamb波激发方程使电磁超声换能器 工作在电磁超声Lamb波激发曲线上合理的工作点和工作区域，并通过只激发出单一模式 的电磁超声Lamb波或通过激发出具有相同传播速度的多种模式的电磁超声Lamb波的具体 方法有效消除了电磁超声Lamb波多模式影响，提高了电磁超声Lamb波的检测性能。本发明的方法适用于现有的各种磁超声探伤检测方法。
图1为本发明的激发电磁超声Lamb波的电磁超声换能器的结构示意图，图2为具 体实施方式二中待测试件1为钢板时的电磁超声Lamb波激发曲线示意图，图3为具体实施 方式三中待测试件1为钢板时的电磁超声Lamb波激发曲线示意图，图4为具体实施方式
三 中待测试件1为钢板时的电磁超声Lamb波群速度L' -cg曲线示意图，图5为具体实施方 式三中待测试件1为钢板时的电磁超声Lamb波群速度f ‘ -cg曲线示意图，图6为具体实 施方式二中图2中工作点5(0. 30，7. 20)及工作区域6(AL/ , A f:‘)的实测波形示意 图，其中，U1表示激发电磁超声Lamb波单一模式下工作点5及工作区域6处主冲击波，A1 表示激发电磁超声Lamb波单一模式下电磁超声换能器的待测试件1 一端面回波，B1表示激 发单一模式下电磁超声换能器的待测试件1的另一端面回波，图7为具体实施方式
三中图 3中工作点7(0. 19，8. 00)及工作区域8(AL2'，Af2')的实测波形示意图，其中，U2表示 激发电磁超声Lamb波多模式下工作点7及工作区域8处主冲击波，A2表示激发电磁超声 Lamb波多模式下电磁超声换能器的待测试件1 一端面回波，B2表示激发电磁超声Lamb波 多模式下电磁超声换能器的待测试件1的另一端面回波。
具体实施例方式具体实施方式
一本实施方式所述的消除电磁超声Lamb波多模式影响的电磁超 声探伤检测方法，它的具体过程为首先根据电磁超声换能器中的待测试件1的材料属性 和厚度，确定电磁超声换能器的曲折线圈2的间距L及其波动范围是[L- AL, L+A L]和所 述曲折线圈2中通以激发电流频率f及其带宽范围[f-Af，f+A f]，使所述电磁超声换能 器的探头在待测试件1中激发出单一模式的电磁超声Lamb波或激发出具有相同传播速度 的多种模式的电磁超声Lamb波，然后，开始检测，采用一个电磁超声换能器的探头向待测 试件1发出检测信号，并通过所述电磁超声换能器接收所述检测信号经待测试件1内部反 折后的检测结果信号，根据对所述检测结果信号进行数据处理，获得待测试件1内部的缺 陷位置和大小。本实施方式中的检测过程，可以参照国家军用标准GJB3384-1998《金属薄板兰姆 波检验方法》中规定的过程完成检测。
具体实施方式
二 本实施方式是对具体实施方式
一的进一步说明，具体实施方式
一中所述的根据电磁超声换能器中的待测试件1的材料属性和厚度，确定电磁超声换能器 的曲折线圈2的间距L及其波动范围是[L-AL，L+AL]和所述曲折线圈2中通以激发电流 频率f及其带宽范围[f-Af，f+Af]，使所述电磁超声换能器的探头在待测试件1中激发 出单一模式的电磁超声Lamb波的方法为
步骤一获取电磁超声换能器中的待测试件1的材料属性，所述材料属性包括厚度、横 波波速和纵波波速，根据所述材料属性和电磁超声Lamb波激发方程
<formula>formula see original document page 7</formula>
，求解待测试件1的电磁超声Lamb波激发方程，并绘制待测试件1的电磁超声Lamb波 激发曲线，
其中，(^表示横波波速，(^表示纵波波速，L'表示电磁超声换能器的曲折线圈2间距 L和待测试件1厚度d的比值，即为距厚比L' =L/d,f'表示电磁超声换能器的激发电流4 频率f和待测试件1厚度d的乘积，即为频厚积f' =fXd ；
步骤二 确定在待测试件1中所要激发的电磁超声Lamb波单一模式； 步骤三在待测试件1的电磁超声Lamb波激发曲线上选出电磁超声Lamb波单一模式 的工作点(L/，f/ )，其中L/表示在电磁超声Lamb波单一模式时的距厚比，f/表示 在电磁超声Lamb波激发单一模式时的频厚积；
步骤四设计电磁超声换能器的线圈参数和激发电流参数，使电磁超声换能器工作在 工作点(L/，f/ )上，同时确定所述电磁超声换能器在待测试件1的电磁超声Lamb波 激发曲线上的工作区域(AL/，Af/ )内，其中，所述的工作区域(AL/，Af/ )在 待测试件1的电磁超声Lamb波激发曲线上是一个以工作点(L/ , f:‘)为中心、长为 AL/ =2X AL/d、宽为Af/ =2 X A f.d的矩形框，A L表示曲折线圈2间距L的波动范 围，A f表示激发电流4频率f的波动范围；
步骤五将所确定的工作区域(A k ‘，Af/ )对应到待测试件1的电磁超声Lamb波 激发曲线上，获得工作区域(AL/，Af/ )在待测试件1的电磁超声Lamb波激发曲线上 的位置，如果在所述工作区域(A k ‘，Af/ )内，只存在步骤二中所述的单一模式的电磁 超声Lamb波，则执行步骤七，否则执行步骤六；
步骤六返回步骤三，在待测试件1的电磁超声Lamb波激发曲线上重新选出电磁超声 Lamb波单一激发模式的工作点(L/，f/ )；
步骤七获得超声换能器的曲折线圈2的间距L及其波动范围是[L-AL，L+AL] 和所述曲折线圈2中通以激发电流频率f及其带宽范围[f-Af，f+Af]，其中L=L/、 A L= A ‘ 、f=f:' , A f = A f:'。 本实施方式中，步骤七最终完成了电磁超声换能器的设计，达到了消除电磁超声Lamb波多模式影响的目的。本实施方式中，工作区域(AL/，Af/ )用曲折线圈2的间距L波动范围、激发 电流4的频率f波动范围以及待测试件1的厚度d来定义。本实施方式中，电磁超声Lamb波的激发方程的等式右边项的指数为+1时表示对 称模式(S模式)，指数为-1时表示反对称模态(A模式)，电磁超声Lamb波在理论上有无 数种模式，对称模式表示为SO, SI, S2……，反对称模式表示为AO, Al，A2……。本实施方式中，电磁超声Lamb波的激发和接收由电磁超声换能器完成，所述电磁 超声换能器包括待测试件1、曲折线圈2和磁铁3，所述曲折线圈2和磁铁3用作探头，所述 曲折线圈2位于磁铁3与待测试件1之间，并确保所述待测试件1和曲折线圈2在磁铁3 的磁场范围内，检测时电磁超声换能器的探头放置于待测试件1检测方向上的两个端面之 间，同时使所述探头与待测试件1之间的提离距离越小越好，一般紧贴于待测试件1表面， 理想状态下距离为0。针对本实施方式进行实例分析
本实施方式中待测试件1为钢板，其厚度为d ；曲折线圈2的线圈间距为L，曲折线圈 2的间距波动范围是[L-AL，L+AL]，所述曲折线圈2中通以激发电流频率f 的带宽范围 [f- A f，f+ A f]，所述曲折线圈2置于待测试件的表面；磁铁3为永磁铁、电磁铁或脉冲电磁 铁，置于线圈之上，如图1所示。在步骤一中，在待测试件1为钢板时，根据电磁超声Lamb激发方程绘制待测试件 1的电磁超声Lamb波激发曲线，如图2所示。在步骤三中，在图2所示曲线上选出步骤二所确定的所要激发的电磁超声Lamb波 单一模式的工作点5(0. 30，7. 20)，所述工作点5(0. 30，7. 20)位于S1模式的曲线上。在步骤四中，电磁超声换能器在图2曲线上的工作区域，如工作区域 6(AL/ , Af/ )，工作点5(0.30，7.20)及工作区域6(AL/ , Af/ )的实测波形如图 6所示；
在步骤五中，把所确定的工作区域6(AL/，Af/ )对应到图2曲线上，确认工作区 域在激发曲线上的位置，如果工作区域6(AL/，Af/ )内只有所选的SI模式，则消除 电磁超声Lamb波多模式影响成功；如果工作区域6(AL/，A f/ )内仍有其他电磁超声 Lamb波的模式，则没有达到消除多模式影响的目的，需要进行下一步骤重新选择工作点。
具体实施方式
三本实施方式是对具体实施方式
一的进一步说明，具体实施方式
一中所述的根据电磁超声换能器中的待测试件1的材料属性和厚度，确定电磁超声换能器 的曲折线圈2的间距L的波动范围是[L-AL，L+AL]和所述曲折线圈2中通以激发电流频 率f的带宽范围[f-Af，f+Af]，使所述电磁超声换能器的探头在待测试件1中激发出具 有相同传播速度的多种模式的电磁超声Lamb波的方法为
步骤A 获取电磁超声换能器中的待测试件1的材料属性，所述材料属性包括厚度、横
波波速和纵波波速，根据所述材料属性、电磁超声Lamb波群速度方程Cg=-2L12df1/dL
和电磁超声Lamb波激发方程<formula>formula see original document page 9</formula>，求解待测试件1的电磁超声Lamb波群速度方程和电磁超声Lamb波激发方程，并绘制 待测试件1的电磁超声Lamb波群速度曲线和电磁超声Lamb波激发曲线；
步骤B 根据电磁超声换能器的线圈参数和激发电流参数，在待测试件1的电磁超声 Lamb波的激发曲线上选出工作点(IV ,f2')和工作区域(AL2' , Af2')，使所述电磁 超声换能器工作在工作点(L2' ,f2')上，同时使所述工作区域(AL2' , Af2')在待测 试件1的电磁超声Lamb波的激发曲线上覆盖至少两种电磁超声Lamb波模式；
步骤C 将工作点(IV ,f2')对应到待测试件1的电磁超声Lamb波群速度曲线上， 获得所述工作点OV ,f2')在待测试件1的电磁超声Lamb波群速度曲线上的对应点，并 将工作区域(A L2 ‘，A f2 ‘)对应到待测试件1的电磁超声Lamb波群速度曲线上，获得所 述工作区域(AL2' , Af2')在待测试件1的电磁超声Lamb波群速度曲线上的对应线段;
步骤D 获得对应点和对应线段在待测试件1的电磁超声Lamb波群速度曲线上的位 置，如果工作区域(AL2' , Af2')所覆盖的电磁超声Lamb波的各模式与相应的对应线段 相互交叠或相近，或者所述各模式对应点之间的群速度误差不超过3%，则执行步骤F，否则 执行步骤E;
步骤E 返回步骤B，根据电磁超声换能器，在待测试件1的电磁超声Lamb波的激发曲 线上重新选出工作点(L2' ,f2')和工作区域(AL2' , Af2')；
步骤F 获得超声换能器的曲折线圈2的间距L及其波动范围是[L-AL，L+AL]和所述 曲折线圈2中通以激发电流频率f及其带宽范围[f_Af，f+Af]，其中L=L2'、AL=AL2'、 f=f2'、Af=Af2'。本实施方式中，电磁超声Lamb波的群速度表示电磁超声Lamb波在待测试件1中 的传播速度。针对本实施方式，进行实例分析
在步骤A中，所绘制的待测试件1的电磁超声Lamb波群速度曲线包括图4所示的电磁 超声Lamb波群速度L' _cg曲线和图5所示的电磁超声Lamb波群速度f' _cg曲线，待测 试件1的电磁超声Lamb波激发曲线如图3所示，待测试件1为钢板。在步骤B中，在图3所示的待测试件1的电磁超声Lamb波的激发曲线上选出工 作点7(0. 19，8.00)和工作区域8(AL2' , Af2')，所述工作区域8 ( A L2 ‘，A f 2 ‘)在 图3所示激发曲线上覆盖了 SO模式和AO模式，所述工作点7(0. 19，8. 00)及工作区域 8(AL2' , Af2')的实测波形如图7所示。在步骤C中，将工作点7(0. 19，8.00)和工作区域8(AL2' , A f 2 ‘)对应到如 图4所示的待测试件1的电磁超声Lamb波群速度L' -cg曲线上，获得对应点11 (SO和 AO两个点)和对应线段12 (SO和AO两条线段)，并将工作点7(0. 19，8. 00)和工作区域 8(AL2' , Af2')对应到如图5所示的待测试件1的电磁超声Lamb波群速度f' _cg曲线上，获得对应点13 (SO和AO两个点)和对应线段14 (SO和AO两条线段)。
权利要求
消除电磁超声Lamb波多模式影响的电磁超声探伤检测方法，其特征在于它的具体过程为首先根据电磁超声换能器中的待测试件(1)的材料属性和厚度，确定电磁超声换能器的曲折线圈(2)的间距L及其波动范围是[L-ΔL, L+ΔL]和所述曲折线圈(2)中通以激发电流频率f及其带宽范围[ f-Δf，f+Δf ]，使所述电磁超声换能器的探头在待测试件(1)中激发出单一模式的电磁超声Lamb波或激发出具有相同传播速度的多种模式的电磁超声Lamb波，然后，开始检测，采用一个电磁超声换能器的探头向待测试件(1)发出检测信号，并通过所述电磁超声换能器的探头接收所述检测信号经待测试件(1)内部反折后的检测结果信号，根据对所述检测结果信号进行数据处理，获得待测试件(1)内部的缺陷位置和大小。
1.消除电磁超声Lamb波多模式影响的电磁超声探伤检测方法，其特征在于它的具体 过程为首先根据电磁超声换能器中的待测试件(1)的材料属性和厚度，确定电磁超声换 能器的曲折线圈⑵的间距L及其波动范围是[L_AL，L+AL]和所述曲折线圈⑵中通以 激发电流频率f及其带宽范围[f-Af，f+A f]，使所述电磁超声换能器的探头在待测试件 (1)中激发出单一模式的电磁超声Lamb波或激发出具有相同传播速度的多种模式的电磁 超声Lamb波，然后，开始检测，采用一个电磁超声换能器的探头向待测试件(1)发出检测信 号，并通过所述电磁超声换能器的探头接收所述检测信号经待测试件(1)内部反折后的检 测结果信号，根据对所述检测结果信号进行数据处理，获得待测试件(1)内部的缺陷位置 和大小。
2.根据权利要求1所述的消除电磁超声Lamb波多模式影响的电磁超声探伤检测方法， 其特征在于根据电磁超声换能器中的待测试件(1)的材料属性和厚度，确定电磁超声换能 器的曲折线圈⑵的间距L及其波动范围是[L_AL，L+AL]和所述曲折线圈⑵中通以激 发电流频率f及其带宽范围[f_Af，f+Af]，使所述电磁超声换能器的探头在待测试件⑴ 中激发出单一模式的电磁超声Lamb波的方法为步骤一获取电磁超声换能器中的待测试件(1)的材料属性，所述材料属性包括厚度、 横波波速和纵波波速，根据所述材料属性和电磁超声Lamb波激发方程<formula>formula see original document page 2</formula>，求解待测试件(1)的电磁超声Lamb波群速度方程和电磁超声Lamb波激发方程，并绘 制待测试件(1)的电磁超声Lamb波群速度曲线和电磁超声Lamb波激发曲线；步骤B 根据电磁超声换能器的线圈参数和激发电流参数，在待测试件(1)的电磁超声 Lamb波的激发曲线上选出工作点(L2' ,f2')和工作区域(AL2' , Af2')，使所述电磁 超声换能器工作在工作点(L2' ,f2')上，同时使所述工作区域(AL2' , Af2')在待测 试件(1)的电磁超声Lamb波的激发曲线上覆盖至少两种电磁超声Lamb波模式；步骤C:将工作点(IV ,f2')对应到待测试件(1)的电磁超声Lamb波群速度曲线上， 获得所述工作点0V ,f2')在待测试件(1)的电磁超声Lamb波群速度曲线上的对应点， 并将工作区域(AL2' , Af2')对应到待测试件(1)的电磁超声Lamb波群速度曲线上，获 得所述工作区域(AL2' , Af2')在待测试件(1)的电磁超声Lamb波群速度曲线上的对 应线段；步骤D 获得对应点和对应线段在待测试件(1)的电磁超声Lamb波群速度曲线上的位 置，如果工作区域(AL2' , Af2')所覆盖的电磁超声Lamb波的各模式与相应的对应线段 相互交叠或相近，或者所述各模式对应点之间的群速度误差不超过3%，则执行步骤F，否则 执行步骤E;波激发曲线上，获得工作区域(AL/，Af/ )在待测试件(1)的电磁超声Lamb波激发曲 线上的位置，如果在所述工作区域(A k ‘，Af/ )内，只存在步骤二中所述的单一模式的 电磁超声Lamb波，则执行步骤七，否则执行步骤六；步骤六返回步骤三，在待测试件(1)的电磁超声Lamb波激发曲线上重新选出电磁超 声Lamb波单一激发模式的工作点(L/，f/ )；步骤七获得超声换能器的曲折线圈(2)的间距L及其波动范围是[L-AL，L+AL] 和所述曲折线圈(2)中通以激发电流频率f及其带宽范围[f-Af，€+八幻，其中1^=1^、 A L= A ‘ 、f=f: ‘ , A f = A f:‘。
3.根据权利要求1所述的消除电磁超声Lamb波多模式影响的电磁超声探伤检测方法， 其特征在于根据电磁超声换能器中的待测试件(1)的材料属性和厚度，确定电磁超声换能 器的曲折线圈⑵的间距L的波动范围是[L_AL，L+AL]和所述曲折线圈⑵中通以激发 电流频率f的带宽范围[f-Af，f+A f]，使所述电磁超声换能器的探头在待测试件(1)中 激发出具有相同传播速度的多种模式的电磁超声Lamb波的方法为步骤A 获取电磁超声换能器中的待测试件(1)的材料属性，所述材料属性包 括厚度、横波波速和纵波波速，根据所述材料属性、电磁超声Lamb波群速度方程C，=和电磁超声Lamb波激发方程步骤E:返回步骤B，根据电磁超声换能器，在待测试件⑴的电磁超声Lamb波的激发 曲线上重新选出工作点(L2' ,f2')和工作区域(AL2' , Af2')；步骤F:获得超声换能器的曲折线圈(2)的间距L及其波动范围是[L-AL，L+AL] 和所述曲折线圈(2)中通以激发电流频率f及其带宽范围[f-Af，€+八幻，其中1^=1^、 AL=AL2'、f=f2'、Af=Af2'。
全文摘要
消除电磁超声Lamb波多模式影响的电磁超声探伤检测方法,它涉及超声波检测技术领域，解决了目前在采用电磁超声检测方法实现非接触型超声无损检测的过程中，由于电磁超声Lamb波的多模式特性导致回波信号复杂、无法检测的问题。本发明首先根据待测试件的材料属性和厚度，确定电磁超声换能器的曲折线圈的间距波动范围和曲折线圈中通以激发电流频率的带宽范围，使所述电磁超声换能器的探头在待测试件中激发出单一模式的电磁超声Lamb波或激发出具有相同传播速度的多种模式的电磁超声Lamb波；然后开始检测，获取检测结果信号并进行数据处理，进而获得待测试件内部的缺陷位置和大小。本发明为电磁超声检测的广泛应用提供了基础。
文档编号G01N29/04GK101799454SQ201010145388
公开日2010年8月11日 申请日期2010年4月13日 优先权日2010年4月13日
发明者宫佳鹏, 康磊, 王淑娟, 翟国富, 蒋韬 申请人:哈尔滨工业大学