融合的力量：感應(yīng)式磁聲無損檢測技術(shù)

與常規(guī)檢測方法不同的是，MAT-MI不僅能檢測出缺陷的幾何形態(tài)和位置，而且能夠?qū)Ρ粶y試件及其缺陷進(jìn)行“功能性”成像，獲得試件內(nèi)部的電導(dǎo)率分布情況，從而及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)缺陷并對其進(jìn)行定位，尤其適用于對金屬板材的快速、大面積的非接觸性檢測。生物領(lǐng)域感應(yīng)式磁聲成像技術(shù)2005年，美國明尼蘇達(dá)大學(xué)將磁感應(yīng)技術(shù)和超聲斷層掃描成像技術(shù)進(jìn)行融合，提出了一種新型的生物功能性成像方法———感應(yīng)式磁聲成像技術(shù)。該技術(shù)通過靜磁場和脈沖交變磁場同時(shí)對成像目標(biāo)進(jìn)行電磁激勵(lì)，利用超聲換能器采集由被測組織所產(chǎn)生的磁聲信號，對磁聲信號進(jìn)行分析計(jì)算，便可用于重建生物組織內(nèi)部的電導(dǎo)率分布。該技術(shù)兼具生物電阻抗成像的高對比度和超聲斷層掃描成像的高空間分辨率(理論分辨率可達(dá)0.3mm)的優(yōu)勢，可避免屏蔽效應(yīng)，在乳腺癌篩查以及肝功能成像等領(lǐng)域的可行性已得到了驗(yàn)證。1.成像原理圖1MAT-MI成像原理示意將待測生物組織置于均勻分布的靜磁場中，在環(huán)形線圈中通入脈沖激勵(lì)電流，使其在組織內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)與靜磁場方向平行的時(shí)變磁場，進(jìn)而在組織內(nèi)部感應(yīng)出與激勵(lì)電流同頻率的渦流。同時(shí)，在靜磁場的作用下，感應(yīng)渦流在組織內(nèi)部產(chǎn)生頻率相同的洛倫茲力，從而引起待測組織內(nèi)部帶電粒子的周期性局部振動，并以超聲波的形式向外傳播，形成磁聲信號。利用超聲換能器在組織周圍采集磁聲信號并轉(zhuǎn)換成聲壓信號，再對其進(jìn)行放大、濾波和存儲等處理后，即可重建出反映生物組織生理功能變化的電導(dǎo)率分布圖。2.正問題的研究現(xiàn)狀MAT-MI正問題是指在已知組織電磁特性的前提下，根據(jù)靜磁場、脈沖交變磁場以及邊界條件進(jìn)行多物理場的耦合，獲得組織表面的初始聲壓分布。圖2MAT-MI正問題流程圖正問題可分為電磁場正問題和聲場正問題兩部分：前者由感應(yīng)渦流與靜磁場相互作用，引起生物組織內(nèi)部帶電粒子的周期性局部振動，形成振動聲源；后者由振動聲源形成包含電磁特性信息的磁聲信號并向外傳播，從而引起組織內(nèi)部聲壓的變化。電磁場正問題1磁激勵(lì)源在MAT-MI的電磁場正問題中，通常由激勵(lì)線圈產(chǎn)生脈沖電磁激勵(lì)，并在成像目標(biāo)內(nèi)部感應(yīng)出渦流，進(jìn)而在其周圍產(chǎn)生可檢測的超聲信號。脈沖激勵(lì)信號的脈寬及功率直接影響著MAT-MI的成像分辨率。雖然脈沖模式能夠定位聲源，但其測量精度和信噪比都較低，限制了其應(yīng)用。為了克服上述不足，可采用基于連續(xù)正弦波的電磁激勵(lì)，產(chǎn)生的磁聲信號的幅度和相位都包含聲源的位置信息并遵循復(fù)平面中的矢量理論。此外，還可采用不同的線圈構(gòu)造多個(gè)磁激勵(lì)源，并采集與每個(gè)激勵(lì)源相對應(yīng)的超聲信號，用以重建成像目標(biāo)內(nèi)部的電導(dǎo)率分布。2聲源的產(chǎn)生機(jī)制在MAT-MI中，當(dāng)激勵(lì)磁場的頻率遠(yuǎn)小于兆赫茲級時(shí)，導(dǎo)電樣品中的位移電流遠(yuǎn)小于導(dǎo)電電流，并且通常被忽略，故感應(yīng)電流密度J(r,t)可由組織的電導(dǎo)率σ(r)和激勵(lì)磁場Bd(r)來確定：?·J(r,t)＝?·[-σ(r)??(r,t)]-?·[σ(r)·?A(r,t)/?t]=0(1)式中：r為位置矢量；?(r,t)為標(biāo)量電勢；A(r,t)為磁矢勢。?×A(r,t)＝Bd(r,t)?·A(r,t)＝0(2)在紐曼邊界條件J(r,t)·n=0（n為外邊界的單位矢量）的約束下，外邊界表面處的電流密度為0，對應(yīng)于求解域內(nèi)的每個(gè)參考點(diǎn)處的?有唯一解。在給定靜磁場的通量密度Bs(r)的情況下，洛倫茲力可表示為J(r,t)×Bs(r)。在電活性組織中，施加的磁場和電流之間的相互作用產(chǎn)生壓力分布，形成聲源，滿足下式：?×[J(r,t)×Bs(r)]＝σ[-?Bd(r,t)/?t]·Bs(r)＋(?σ×E)·Bs(r)(3)式中：E為電場強(qiáng)度。利用式(3)可求解出組織內(nèi)部的聲源分布，但該方法在不同電導(dǎo)率的邊界會產(chǎn)生奇異值。在電導(dǎo)率突變邊緣位置處聲源的數(shù)值較大，而在電導(dǎo)率分布均勻位置處的聲源為常量。采用積分正演方法，可避免在電導(dǎo)率邊界上由奇異值造成的數(shù)值誤差。磁聲信號的時(shí)頻特性反映了樣品的厚度，基于此特點(diǎn)可進(jìn)行不同厚度介質(zhì)的聲源求解和電導(dǎo)率重建。此外，MAT-MI圖像重建的品質(zhì)很大程度上取決于聲源分布，突變、緩變和附加聲壓分布都會影響圖像的重建品質(zhì)。聲場正問題在各向同性介質(zhì)中，由成像目標(biāo)所產(chǎn)生的磁聲信號滿足波動方程如下式所示：?p2(r,t)-1/cs2·?2p(r,t)/?t2=?·[J(r,t)×Bs(r)](4)式中：p(r,t)為在位置r處，時(shí)間為t的聲壓；cs為組織內(nèi)的聲速。假設(shè)聲速均勻的條件下，利用脈沖源δ(t)進(jìn)行激勵(lì)，使用格林函數(shù)可以導(dǎo)出超聲探測器在位置r0處測得的聲壓為：p(r0,t)＝-1/4π?V

dr?r·(J×B0)G(r0,r,t)(5)式中：G(r0,r,t)是格林函數(shù)。采用有限元法或者解析法求解式(5)可得到聲場的解。利用時(shí)間反演算法，根據(jù)聲壓時(shí)間序列可重建出待測目標(biāo)的電阻抗分布?？紤]到超聲換能器對磁聲信號采集的影響，還可將超聲換能器的特性函數(shù)引入到聲壓求解過程中，使聲壓信號更接近于實(shí)際情況。對于聲學(xué)特性不均勻的待測組織，可利用有限元分析軟件計(jì)算生物組織內(nèi)部的感應(yīng)渦流，依據(jù)洛倫茲力散度聲源機(jī)制求解振動聲源分布，采用時(shí)域有限差分法求解成像目標(biāo)的初始聲壓分布。電導(dǎo)率各向異性介質(zhì)的正問題通常，在對MAT-MI正問題的研究中，大多數(shù)采用具有電導(dǎo)率突變的規(guī)則幾何模型來模擬分析振動聲源與聲壓信號的分布，只考慮成像目標(biāo)邊界處電導(dǎo)率的變化，不考慮其內(nèi)部電導(dǎo)率變化的影響。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，超聲換能器檢測到的聲壓信號是從被測物體內(nèi)部的邊界和內(nèi)部聲源發(fā)出的所有超聲波信號的總和，只有當(dāng)物體內(nèi)部的電導(dǎo)率遠(yuǎn)低于邊界的電導(dǎo)率時(shí)，才可以忽略內(nèi)部電導(dǎo)率各向異性的影響，否則在求解感應(yīng)渦流密度的分布、聲源分布以及初始聲壓分布等時(shí)，必須考慮電導(dǎo)率各向異性的影響。工業(yè)領(lǐng)域感應(yīng)式磁聲無損檢測技術(shù)金屬材料內(nèi)部的缺陷會擾亂感應(yīng)渦流的分布，因而通過檢測試件內(nèi)部的電特性可以判定是否存在缺陷并對其定位。MAT-MI無損檢測技術(shù)是一種通過繪制被測試件內(nèi)部電導(dǎo)率分布圖進(jìn)行無損檢測的新方法，通過分析磁聲效應(yīng)引起的電阻抗特性變化來定量分析試件的缺陷情況，具有毫米級的空間分辨率。1.檢測原理圖3金屬材料的MAT-MI無損檢測原理示意MAT-MI無損檢測技術(shù)來源于生物MAT-MI成像，采用電磁方法來誘導(dǎo)渦流。如圖3所示，永磁鐵提供靜磁場，向電磁超聲換能器的折線線圈中通入方向與靜磁場方向垂直的高頻交變電流，從而在線圈的下方、待測薄板的內(nèi)部感應(yīng)出與激勵(lì)電流頻率相同、方向相反或相同的渦流，同時(shí)在其周圍產(chǎn)生一個(gè)交變磁場，感應(yīng)渦流分別與靜磁場、交變磁場相互作用產(chǎn)生靜態(tài)洛倫茲力和交變洛倫茲力。待測薄板內(nèi)部的移動電荷受到總洛倫茲力的作用，產(chǎn)生周期性的質(zhì)點(diǎn)振動，形成磁聲信號并向外傳播。當(dāng)試件表面存在缺陷時(shí)，產(chǎn)生的磁聲信號的特性會發(fā)生相應(yīng)的改變，利用換能器在試件周圍采集磁聲信號，傳入計(jì)算機(jī)內(nèi)進(jìn)行分析計(jì)算，即可重建出材料的電導(dǎo)率空間分布，據(jù)此判斷被測試件的缺陷情況并對其進(jìn)行定位。2.MAT-MI無損檢測研究現(xiàn)狀目前，對MAT-MI無損檢測的研究尚處于起步階段，但其可行性已經(jīng)得到了驗(yàn)證。例如，廈門大學(xué)的游德海建立了適用于鋼板檢測的MAT-MI有限元仿真模型，系統(tǒng)分析了磁聲信號的產(chǎn)生機(jī)理并推導(dǎo)出了聲波振動公式，同時(shí)探討了磁致伸縮效應(yīng)對MAT-MI成像的影響。廈門大學(xué)的夏曉昊還研制出一種MAT-MI無損檢測探頭，為磁聲信號確定了較佳的波模式，實(shí)現(xiàn)了對鋁板表面長10mm、深2mm條形缺陷的快速檢測，驗(yàn)證了MAT-MI用于金屬檢測和缺陷識別的可行性。中科院電工研究所的江凌彤在原有理論的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并搭建了一種無需永磁體的MAT-MI硬件系統(tǒng)，以銅片為被測樣本，通過試驗(yàn)和數(shù)值仿真結(jié)合的方式驗(yàn)證了該方法的正確性與可行性。廈門大學(xué)的李超采用感應(yīng)式磁聲發(fā)射技術(shù)在不同厚度的鋁合金板材表面進(jìn)行了磁聲信號激發(fā)試驗(yàn)，分析了激發(fā)線圈結(jié)構(gòu)和提離距離對磁聲信號的影響。南京師范大學(xué)的房大偉將磁性粒子引入到MAT-MI成像中，根據(jù)格林函數(shù)推導(dǎo)出單個(gè)粒子的受力公式，并探討了粒子分布與粒子所受磁場力之間的關(guān)系。上述針對MAT-MI無損檢測技術(shù)的研究多是建立在被測材料電導(dǎo)率各向同性的前提下，而在實(shí)際情況中，金屬材料的電導(dǎo)率分布往往是各向異性的。如前所述，電導(dǎo)率的各向異性對感應(yīng)渦流的密度分布、振動聲源的求解以及聲壓信號的分布均有影響。若采用各向同性的電導(dǎo)率模型進(jìn)行正問題的分析則會引入較大誤差。因此，深入研究電導(dǎo)率各向異性金屬材料的特征及其對振動聲源和初始聲壓分布的影響，對于MAT-MI無損檢測技術(shù)的研究具有重要意義。3.技術(shù)難點(diǎn)1換能器的設(shè)計(jì)感應(yīng)式磁聲換能器受多重物理場耦合的影響，其換能機(jī)理比較復(fù)雜，對其進(jìn)行合理設(shè)計(jì)是MAT-MI無損檢測技術(shù)的難點(diǎn)之一。電磁超聲換能器可產(chǎn)生表面波、橫波和縱波，不同形狀、不同尺寸的激勵(lì)線圈所激發(fā)的超聲波形不同，并且線圈之間的間距、橫截面的大小以及線圈與試件之間的距離影響著換能器的效率。同時(shí)，為了提高換能器的轉(zhuǎn)換效率，應(yīng)采用較大功率的電磁信號進(jìn)行激勵(lì)。2電導(dǎo)率各向異性金屬材料中聲源的求解各向異性表現(xiàn)為晶體材料的物理性質(zhì)隨觀測方向的不同而發(fā)生變化，是晶體材料有別于非晶體材料的一個(gè)重要標(biāo)志，而絕大多數(shù)的金屬材料屬于晶體材料。金屬材料電導(dǎo)率的各向異性指的是由不同金屬原子排列引起的不同方向上的電導(dǎo)率不同，而且由于材料所含雜質(zhì)不同，其各向異性的程度也不相同。在電導(dǎo)率各向異性的介質(zhì)中，電導(dǎo)率的表達(dá)是張量形式，因而使聲源的求解過程變得更加復(fù)雜。3磁聲信號的后處理采用電磁方法對被測件進(jìn)行激勵(lì)，產(chǎn)生的磁聲信號容易受到電磁噪聲的干擾，降低換能器的檢測效率。利用數(shù)字信號處理技術(shù)對采集到的磁聲信號進(jìn)行濾波、包絡(luò)提取和幅值調(diào)節(jié)等預(yù)處理，可以提高磁聲信號的穩(wěn)定性和信噪比，從而進(jìn)一步提高換能器的轉(zhuǎn)換效率。結(jié)語隨著工業(yè)領(lǐng)域?qū)o損檢測技術(shù)日益增長的需求，多模態(tài)無損檢測技術(shù)被越來越多地使用，不同檢測技術(shù)的結(jié)合可以提高檢查的可靠性，開發(fā)復(fù)合式的無損檢測系統(tǒng)是今后工業(yè)無損檢測領(lǐng)域的主要發(fā)展趨勢。MAT-MI無損檢測技術(shù)是一種多物理場耦合的新型動態(tài)無損檢測方法，其將電磁學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)耦合在一起，使用電磁方法誘導(dǎo)被測金屬材料中產(chǎn)生感應(yīng)渦流，材料中