Page 20 - 2024中国无损检测年度报告

（3）电磁超声换能器
团队在前期工作的基础上，厘清了窄磁铁电
磁超声换能器（EMAT）因非均匀纵横磁场对线
圈导线激发超声波形的相位影响，构建了非对称
磁场条件下波形畸变的半解析量化表征模型，提
出了一种简单易行的线圈等间距参数优化方法。
试验结果如图 5 所示，可见，优化方案的波形无
明显畸变、信号幅值提升逾 120% 且频谱纯净无
旁瓣。
图 5 窄磁铁 EMAT 优化设计
为进一步提高此类简洁结构 EMAT 的收发效
率，团队将双磁铁结构中的顶板磁轭概念引入到
单磁铁换能器设计中，有效引导磁场在线圈感应
涡流区域富集。使用常规冷轧钢薄板制备的封闭
磁轭结构，其实测激发效率是常规方法的两倍。
上述两款新型电磁超声换能器与六自由度机械臂
智能检测平台（见图 6）的协同集成，亦为团队
针对高温、强辐射等极端工况下的自动化检测体
系构建奠定了基础。
图 6 机械臂控制的封闭磁轭 EMAT 扫查成像设备
及其成像结果
（4）声滤波超材料研发及应用
非线性超声兰姆波检测技术结合了非线性超
声检测的高灵敏度特性和兰姆波检测快速高效的
优点，已成为板状结构早期损伤状态检测的重要
方法。目前，非线性超声兰姆波试验中测试系统
会不可避免地引入一定的系统非线性，导致不能
有效区分接收信号中各种非线性来源的贡献量，
因而难以对微裂纹诱发的非线性声学效应进行准
确量化，进而影响系统检测微裂纹的灵敏度和准
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确性。具有二倍频兰姆波滤波特性的声学超材料，
能够利用自身的声学禁带特性有效滤除无关的系
统非线性以减少其对检测结果的影响。
提出了一种基于声滤波超材料的微裂纹非线
性超声兰姆波检测方法，基于声学黑洞结构设计
了一种声滤波超材料（Meta-Filter, MF），利用
其独特的带隙特性使基频兰姆波顺利通过，并同
时阻止二倍频兰姆波传播，从而滤除系统非线性
相关的二倍频声波，其工作原理如图 7(a) 所示。
能带图 [ 见图 7(b)] 中显示所设计的声滤波超材料
在 0 ～ 500 kHz 频率内存在两个带隙，选择基频
为 220 kHz，对应的二倍频为 440 kHz，因此基
频在通带区域，二倍频在第二个带隙范围内。图
7(c) 给出了基频和二倍频兰姆波在声滤波超材料
中传播时的位移场分布，可以明显看出基频兰姆
波可以通过超材料并沿板继续传播，二倍频兰姆
波无法通过超材料传播。
为了证明声滤波超材料可以提高微裂纹非线
性超声检测的灵敏度，同时考虑系统非线性和接
触非线性，模型中设置不同的微裂纹长度 L，分
别为 0，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 mm，并研究
非线性声学参数随不同微裂纹长度的变化情况。
图 7(d) 显示了有 / 无声滤波超材料时归一化非线
性声学参量 β 随微裂纹长度 L 的变化曲线，可见，
在无声滤波超材料的情况下，随着微裂纹长度 L
从 0 mm 增加到 1.0 mm，归一化非线性声学参
量 β 增大了 31.4%；当贴附声滤波超材料结构时，
归一化非线性声学参量 β 增加了 1 005.9%，这
表明贴附声滤波超材料可以使兰姆波对微裂纹长
度变化更敏感，从而提高微裂纹非线性超声兰姆
波检测的灵敏度。
图 7 基于声滤波超材料的微裂纹非线性超声兰姆波检测
2 微损伤非线性超声智能检测与成像技术
（1）非线性超声智能定量技术
非线性超声技术克服了传统无损检测方法的