斜入射全跳越合成孔径聚焦技术（FS-SAFT）优化电磁超声换能器近场盲区缺陷成像研究

针对电磁超声换能器（EMAT）近场盲区缺陷检测难题，研究人员提出全跳越合成孔径聚焦技术（FS-SAFT），结合斜入射曲折线圈EMAT优化设计，通过有限元模拟和铝合金/20#钢实验验证，实现了300℃高温下近表面5?mm通孔缺陷的高灵敏度检测，为金属高温设备无损检测提供了新方法。

　　

在工业无损检测领域，电磁超声换能器（EMAT）因其非接触、无需耦合剂和耐高温等特性备受关注。然而，EMAT存在一个致命短板——近场盲区。由于换能器近场效应和仪器初始脉冲干扰，传统压电超声常用的延时楔块法无法消除这一盲区，导致近表面缺陷检测成为行业难题。现有解决方案如激光-EMAT联用系统成本高昂，而多次反射法信号微弱易被噪声淹没，亟需突破性技术。

针对这一挑战，中国特种设备检测研究院等机构的研究团队在《Ultrasonics》发表创新成果。他们首次提出全跳越合成孔径聚焦技术（FS-SAFT），通过优化斜入射曲折线圈EMAT设计，结合二次反射成像算法，成功实现了近场盲区缺陷的高分辨率成像。研究团队采用多学科交叉方法：首先建立有限元模型分析声场传播特性，优化线圈间距、频率和匝数等参数；其次开发FS-SAFT算法处理全跳越模式A扫描信号；最后在铝合金和20#钢试块上验证通孔与裂纹缺陷检测能力，并在300℃高温环境下测试性能。

Multipath SAFT成像算法
通过建立二次反射声程模型，FS-SAFT算法将传感器扫描位置点（A/B/C）的反射信号进行时延叠加，显著提升近表面缺陷的信噪比。仿真显示该算法可有效区分盲区内相邻缺陷。

Optimizing oblique incidence EMAT for imaging
研究团队发现曲折线圈的指向角优化至45°时，双向横波（SV波）声场主瓣峰值提升40%，主旁瓣比达15dB。线圈匝数8-10圈时，5MHz频率下声场覆盖范围与成像分辨率达到最佳平衡。

FE model
有限元模拟证实，优化后的EMAT对表面下5?mm通孔缺陷的二次反射信号强度比传统单次反射提高3.2倍，且高温下声束指向性稳定。

Experimental results and discussion
实际检测中，FS-SAFT在20#钢试块上实现了5?mm通孔缺陷的清晰成像，高温测试灵敏度与室温相当。对不规则焊缝近表面裂纹的检测深度达2mm，优于传统涡流检测方法。

这项研究的突破性在于：首次将声场指向因子与合成孔径算法要求直接关联，仅用单探头自激自收就解决了近场盲区成像难题。相比传统方法，检测效率提升50%以上，成本降低70%，为高温压力容器、核电管道等关键设备的在役检测提供了全新解决方案。研究团队特别指出，该方法对奥氏体不锈钢等粗晶材料的近表面缺陷检测具有独特优势，未来可拓展至更多极端环境应用场景。