融合的力量：感應(yīng)式磁聲無損檢測(cè)技術(shù)

與常規(guī)檢測(cè)方法不同的是，MAT-MI不僅能檢測(cè)出缺陷的幾何形態(tài)和位置，而且能夠?qū)Ρ粶y(cè)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(duì)其進(jìn)行定位，尤其適用于對(duì)金屬板材的快速、大面積的非接觸性檢測(cè)。生物領(lǐng)域感應(yīng)式磁聲成像技術(shù)2005年，美國(guó)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(chǎng)和脈沖交變磁場(chǎng)同時(shí)對(duì)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(cè)組織所產(chǎn)生的磁聲信號(hào)，對(duì)磁聲信號(hào)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(duì)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(shì)，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(cè)生物組織置于均勻分布的靜磁場(chǎng)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(chǎng)方向平行的時(shí)變磁場(chǎng)，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(chǎng)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(cè)組織內(nèi)部帶電粒子的周期性局部振動(dòng)，并以超聲波的形式向外傳播，形成磁聲信號(hào)。利用超聲換能器在組織周圍采集磁聲信號(hào)并轉(zhuǎn)換成聲壓信號(hào)，再對(duì)其進(jìn)行放大、濾波和存儲(chǔ)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(chǎng)、脈沖交變磁場(chǎng)以及邊界條件進(jìn)行多物理場(chǎng)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(chǎng)正問題和聲場(chǎng)正問題兩部分：前者由感應(yīng)渦流與靜磁場(chǎng)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(dòng)，形成振動(dòng)聲源；后者由振動(dòng)聲源形成包含電磁特性信息的磁聲信號(hào)并向外傳播，從而引起組織內(nèi)部聲壓的變化。電磁場(chǎng)正問題1磁激勵(lì)源在MAT-MI的電磁場(chǎng)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(cè)的超聲信號(hào)。脈沖激勵(lì)信號(hào)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(cè)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(hào)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(duì)應(yīng)的超聲信號(hào)，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(chǎng)的頻率遠(yuǎn)小于兆赫茲級(jí)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(chǎng)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(shì)；A(r,t)為磁矢勢(shì)。?×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(duì)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(huì)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(hào)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(huì)影響圖像的重建品質(zhì)。聲場(chǎng)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(hào)滿足波動(dòng)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(cè)器在位置r0處測(cè)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(chǎng)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(cè)目標(biāo)的電阻抗分布。考慮到超聲換能器對(duì)磁聲信號(hào)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(hào)更接近于實(shí)際情況。對(duì)于聲學(xué)特性不均勻的待測(cè)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(dòng)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(duì)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(dòng)聲源與聲壓信號(hào)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(cè)到的聲壓信號(hào)是從被測(cè)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(hào)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(cè)技術(shù)金屬材料內(nèi)部的缺陷會(huì)擾亂感應(yīng)渦流的分布，因而通過檢測(cè)試件內(nèi)部的電特性可以判定是否存在缺陷并對(duì)其定位。MAT-MI無損檢測(cè)技術(shù)是一種通過繪制被測(cè)試件內(nèi)部電導(dǎo)率分布圖進(jìn)行無損檢測(cè)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(jí)的空間分辨率。1.檢測(cè)原理圖3金屬材料的MAT-MI無損檢測(cè)原理示意MAT-MI無損檢測(cè)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(chǎng)，向電磁超聲換能器的折線線圈中通入方向與靜磁場(chǎng)方向垂直的高頻交變電流，從而在線圈的下方、待測(cè)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(chǎng)，感應(yīng)渦流分別與靜磁場(chǎng)、交變磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生靜態(tài)洛倫茲力和交變洛倫茲力。待測(cè)薄板內(nèi)部的移動(dòng)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(dòng)，形成磁聲信號(hào)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(hào)的特性會(huì)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(hào)，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(cè)試件的缺陷情況并對(duì)其進(jìn)行定位。2.MAT-MI無損檢測(cè)研究現(xiàn)狀目前，對(duì)MAT-MI無損檢測(cè)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(cè)的MAT-MI有限元仿真模型，系統(tǒng)分析了磁聲信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理并推導(dǎo)出了聲波振動(dòng)公式，同時(shí)探討了磁致伸縮效應(yīng)對(duì)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(cè)探頭，為磁聲信號(hào)確定了較佳的波模式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋁板表面長(zhǎng)10mm、深2mm條形缺陷的快速檢測(cè)，驗(yàn)證了MAT-MI用于金屬檢測(cè)和缺陷識(shí)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(cè)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(hào)激發(fā)試驗(yàn)，分析了激發(fā)線圈結(jié)構(gòu)和提離距離對(duì)磁聲信號(hào)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(chǎng)力之間的關(guān)系。上述針對(duì)MAT-MI無損檢測(cè)技術(shù)的研究多是建立在被測(cè)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(duì)感應(yīng)渦流的密度分布、振動(dòng)聲源的求解以及聲壓信號(hào)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(huì)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(duì)振動(dòng)聲源和初始聲壓分布的影響，對(duì)于MAT-MI無損檢測(cè)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(chǎng)耦合的影響，其換能機(jī)理比較復(fù)雜，對(duì)其進(jìn)行合理設(shè)計(jì)是MAT-MI無損檢測(cè)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(hào)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(cè)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(hào)的后處理采用電磁方法對(duì)被測(cè)件進(jìn)行激勵(lì)，產(chǎn)生的磁聲信號(hào)容易受到電磁噪聲的干擾，降低換能器的檢測(cè)效率。利用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)采集到的磁聲信號(hào)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(hào)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(cè)技術(shù)日益增長(zhǎng)的需求，多模態(tài)無損檢測(cè)技術(shù)被越來越多地使用，不同檢測(cè)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(cè)系統(tǒng)是今后工業(yè)無損檢測(cè)領(lǐng)域的主要發(fā)展趨勢(shì)。MAT-MI無損檢測(cè)技術(shù)是一種多物理場(chǎng)耦合的新型動(dòng)態(tài)無損檢測(cè)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(cè)金屬材料中產(chǎn)生感應(yīng)渦流，材料中