電磁聲發射檢測技術的渦流激勵方法

劉素貞 金 亮 張 闖 楊慶新,

（1.河北工業大學電磁場與電器可靠性省部共建重點實驗室 天津 300130 2.天津工業大學電工電能新技術天津市重點實驗室 天津 300387）

1 引言

聲發射（Acoustic Emission,AE）作為一種動態無損檢測技術，可以判斷缺陷的嚴重性和設備的剩余壽命，在避免壓力容器、葉輪、飛機蒙皮等結構件由于早期疲勞損傷的快速發展引發災難性事故方面發揮了極為重要的作用[1-3]。

傳統的聲發射技術需要對待檢測構件進行整體加載[4]，聲發射傳感器會檢測到來自構件整體的大量噪聲信號，使得聲發射信號處理變得十分復雜。使用局部動態電磁激勵的電磁聲發射技術（Electroma-gnetically Induced Acoustic Emission,EMAE）對試件表面進行缺陷的掃描檢測時，可以有效地解決當檢測環境復雜時如何從背景噪聲中識別出真實缺陷形成和增長產生的聲發射信號這一難題[5]。

在導體中感應的渦流在外磁場作用下產生超聲波，通過檢測超聲波在缺陷處的反射、透射和散射對缺陷進行無損探傷，是一項較成熟的技術[6,7]，但通過電磁加載在導體材料中激發聲發射卻是一種新的技術，其集合了電磁檢測方法和聲發射檢測方法的優點[8,9]。文獻[10-12]對采用電極直接加載的電磁聲發射進行了分析和實驗，證明了電磁激勵對于早期疲勞損傷的檢測能力。目前電磁聲發射檢測技術的直接加載方式，存在加載不方便、對電源要求過高的缺點。

課題組對電磁線圈引入電磁激勵的電磁聲發射技術進行了初步研究[13]。使用電磁線圈在金屬板上激發渦流的方法引入電磁激勵，使得電磁聲發射技術對于電源的要求大大降低并使得加載方式是非接觸的，使其工程應用成為可能。在此基礎上，本文使用有限元方法計算和分析缺陷頂點的形變以及隨激勵電流的變化規律，并使用斷裂力學分析了缺陷頂點形變的性質，證明本文的電磁激勵不會使缺陷產生擴展，并通過實驗驗證了聲發射信號隨激勵電流的變化規律，得出了在不同激勵電流下聲發射信號的波形特征，這為使用有限元方法直接計算和分析電磁聲發射信號的幅頻特性提供了堅實的理論和實驗基礎。

2 渦流激勵聲發射的仿真與分析

2.1 渦流激勵聲發射的原理

一個帶有徑向裂紋的圓孔是金屬薄板中典型的疲勞損傷，動態電磁感應渦流的電磁聲發射的實驗原理，如圖1 所示。使用電磁線圈將渦流引入到金屬薄板中，渦流在缺陷（尤其是裂紋型缺陷）表面會產生集中現象，即缺陷開裂面的電流密度明顯大于缺陷周圍。在電磁場的作用下，在導體缺陷部位會產生使缺陷屈服的力，激發缺陷本身振動甚至尖端屈服，進而產生自調制的聲發射信號。四個聲發射傳感器采集的信號經前置放大器放大后傳送至信 號采集卡轉換為數字信號。對數字信號進行處理、分析，判斷其性質并使用二維時差法定位信號源的位置，實現對缺陷性質的判定和缺陷頂點的定位。使用釹鐵硼永磁體產生垂直于缺陷平面的磁場B來加強聲發射效應，如圖1 所示。

圖1 動態電磁感應渦流的電磁聲發射原理Fig.1 Experimental setup of electromagnetically induced acoustic emission with eddy current exciting

2.2 渦流激勵聲發射的數學及仿真模型

由于在加載方式上，渦流激勵聲發射和電磁超聲技術相仿，因而需要研究如何降低和避免電磁超聲信號對聲發射信號檢測、處理、分析和缺陷判定方面的干擾。

鐵磁材料中洛倫茲力、磁致伸縮力在大小、方向和頻率響應上的差異使得鐵磁材料聲信號的幅頻特性非常復雜，非鐵磁材料僅有洛倫茲力的作用，在幅頻特性上相對簡單，而在壓力容器、葉輪、飛機蒙皮等結構件中得到大量應用的鋁合金材料有迫切的早期疲勞損傷的檢測需求，因而本文以金屬鋁板在電磁激勵下的聲發射響應作為研究對象。

聲發射信號是由缺陷處的形變差異引起缺陷本身的振動甚至屈服所激發的，故本文通過研究缺陷在不同激勵條件下形變的變化規律得到缺陷的聲發射信號隨激勵電流的變化規律。

電磁聲發射是通過電磁加載產生聲發射響應，本質上說是一個電磁-力-形變耦合問題。頻率為kHz時，鋁板中的交變電磁場可視為磁準穩態場，并可以忽略位移電流的影響。

式中，Hd是交變磁場強度；Jf是傳導電流密度。

介質方程為

式中，B是磁感應強度；μ是磁導率。

鋁板中的磁感應強度B由交變磁場Bd與外部提供的靜磁場Bs疊加而成，其表達式為

根據電磁感應定律，交變磁場會感應出電場

式中，E是交變磁場感應的電場；Je是渦流密度；σ是電導率。

鋁板中感應的渦流Je在靜磁場及交變磁場作用下會產生洛侖茲力，即

F也是激發聲發射現象的力載荷，各向同性彈性介質中聲波傳輸方程為[11]

式中，E和μ分別是材料的彈性模量和泊松比；m是材料的密度；u是位移（形變）。

空心環形線圈電感量的經驗計算公式為

式中，D為線圈直徑；N為線圈的匝數；C為線圈的長度。

電磁線圈的激勵電流為

式中，coilI˙為電磁線圈的激勵電流；ω為激勵電流的角頻率；U˙為電磁線圈的激勵電壓。

激勵線圈和試件的距離很近，可以認為在試件上只有沿Z軸的磁場分布。依據安培環路定律可知螺線管線圈的近場磁場強度

綜合式（8）～式（10）可得

由電磁感應定律易知，試件上的渦流顯然和磁場強度Hz單調增加關系。因此，電磁線圈的匝數應當盡可能少，但匝數多的環形線圈能激發更加均勻的電流密度。因而，線圈匝數應當在不超出電源輸出能力的基礎上適當多一些。綜合衡量電源、渦流分布等因素，采用一個厚度為 10mm、內半徑為5mm、外半徑為15mm、線徑為0.4mm 漆包線繞制的40 匝的圓形環狀線圈引入渦流，如圖2 所示。

圖2 電磁聲發射的有限元模型Fig.2 Finite element model of electromagnetically induced acoustic emission

一個帶有徑向裂紋（長為12mm）通孔的鋁質薄板試件（尺寸為500mm×115mm×1.5mm）作為電磁聲發射的計算和分析對象，其有限元模型如圖2所示。電磁線圈的軸向垂直于鋁質薄板。模型外包一個厚度為80mm的空氣場。

2.3 渦流激勵聲發射的有限元計算與分析

使用式（7）瞬態分析方法計算鋁質薄板試件缺陷處的電流、電磁力和位移。激勵電流的幅值為0～10A，換算成線圈截面的電流密度為 0 ～4.0×106A/m2。本文中，形變取電磁線圈的電流分步加載至最大值過程中形變的最大值。

如圖3 所示，流經金屬導體的電流在缺陷表面確實產生了集中現象，尤其是在裂縫型缺陷的尖端，其電流密度比其他地方的電流密度大一個數量級。如圖4 所示，在電磁場的作用下，在導體裂縫型缺陷部位確實產生了使缺陷屈服的洛侖茲力，其會引起裂縫型缺陷處的形變差異，激發裂縫型缺陷本身振動甚至尖端屈服，產生自調制的聲發射信號。

圖3 渦流激勵時試件的電流密度矢量圖Fig.3 Vector illustrations of current density induced by eddy current

圖4 渦流激勵時試件的洛倫茲力矢量圖Fig.4 Vector illustrations of Lorentz stresses induced by eddy current

當激勵線圈和圓孔的圓心重合、外置磁場B=0.1T 時，缺陷處的形變云圖如圖5 所示。在缺陷附近形變有比較大的沿裂縫的梯度，即缺陷處的形變差異很大，這有利于缺陷本身的形變和尖端屈服。

圖5 B=0.1T 時缺陷處的形變云圖Fig.5 Deformation contours with an external magnetic field at B=0.1T

圖6 所示的是裂紋頂點的形變最大值隨激勵電流的變化規律。激勵電流對缺陷處的形變影響明顯，在實際工程中，加大電流激勵是較為方便的，因此本文主要研究不同電流激勵下缺陷的聲發射信號。

圖6 不同激勵電流下裂紋頂點的形變Fig.6 Deformations of crack tips under different current densities

3 渦流激勵聲發射實驗

實驗采用直徑為10mm的圓形過孔模擬固定金屬板材的螺栓孔或者鉚釘孔，并使用多次彎曲的方法在圓形過孔邊緣預制一條長約 12mm、寬約0.14mm的徑向裂紋。為了驗證電磁聲發射技術對缺陷的檢測能力，分別制作了三塊鋁質薄板試件，試件尺寸為500mm×115mm×1.5mm。1#試件中間有圓孔和裂紋；2#試件中間只有圓孔，無裂紋；3#號試件為完好鋁板，既無圓孔也無裂紋。

聲發射電源使用功率放大器放大信號發生器產生的猝發激發信號得到大功率的高頻脈沖方波。電磁線圈和諧振電容組成的串聯諧振電路將高頻方波轉換為準正弦波電流，進而電磁線圈在鋁質薄板試件上感應出準正弦的渦流。電磁線圈激勵電流的頻率為2.5kHz、占空比為50%，激勵電流的持續時間為單周期，如圖7 所示。

圖7 頻率為2.5kHz 時電磁線圈的電流波形Fig.7 Coil current waveform at 2.5kHz

聲發射傳感器為美國物理聲學公司的WSA 寬帶傳感器，對稱放置在缺陷的周邊，如圖8 所示。前置放大器倍數為40dB。

圖8 布置了傳感器和激勵線圈的帶有裂紋的試件Fig.8 Crack specimen with the sensors and excitation coil

4 結果分析與討論

圖9 激勵電流為2.5kHz、10A 時裂紋的形變Fig.9 Crack deformations at I=10A and f =2.5kHz

實驗中，激勵電流頻率為2.5kHz，電流幅值最大為10A。以此數據用式（7）計算，得到沿Y軸正方向、起點位于裂紋頂點、長2cm的一條直線上的形變，如圖 9 所示，渦流激勵下缺陷頂點的最 大位移為9.8×10-11m。依據彈塑性斷裂力學的COD（Crack Opening Displacement）理論，對于薄鋁板中的穿透性I 型裂紋，臨界張開位移δc為0.09mm[14]，因此渦流激勵時缺陷頂點的形變最大值均遠小于δc，故電磁激勵的聲發射信號并不是缺陷的擴展所產生的，且渦流激勵聲發射檢測技術中的局部電磁激勵不會對構件造成附加損傷。

依據聲發射理論，對于裂紋型缺陷，狹義的具有“凱瑟效應”的非裂紋擴展的聲發射信號來自于缺陷尖端不連續屈服達到屈服強度臨界點時，裂紋尖端的能量釋放。而9.8×10-11m 級別的形變，可以產生“位錯”以下級別的聲發射信號，故本文的渦流激勵聲發射的信號幅值較小、頻率較寬。

電磁線圈的激勵電流頻率為 2.5kHz，外磁場B=0.1T，1#試件典型的聲發射信號的時域和頻域波形，如圖10 所示。從時域圖可以得出，聲發射信號的強度很低，放大100 倍的信號小于2mV。

圖10 B=0.1T，1#試件的聲發射信號波形Fig.10 Acoustic emission signal of 1# sample with an external magnetic field at B=0.1T

從頻域圖可以得出，聲發射信號的頻率范圍從20kHz 延伸到800kHz，且信號能量集中在低頻段。頻域峰值頻率主要有4 個：29.30kHz、87.85kHz、218.8kHz、585.0kHz，不同激勵電流下頻域內峰值頻率的強度和激勵電流關系如圖11 所示。為了能更清楚地觀察變化規律，單獨的585.0kHz 頻域內峰值頻率的強度和激勵電流的關系如圖12 所示。

圖11 1#試件的聲發射信號強度和激勵電流關系Fig.11 Relationship of AE signal strength and exciting current of 1# sample

圖12 1#試件的585.0kHz 聲發射信號強度和 激勵電流的關系Fig.12 The relationship of 585.0kHz acoustic emission signal strength and exciting current of 1# sample

依據凱瑟效應，裂紋在出現屈服現象前，屈服影響區的前端會出現鈍化區，此時聲發射信號會減小，隨應變的增加當屈服強度達到臨界點，鈍化區域會迅速擴張并伴隨強烈的聲發射信號，此時繼續 加大激勵，屈服影響區會再次積累應變，重復這一過程，即在屈服強度臨界點的前后均會出現一定程度的聲發射信號減小現象，此現象可以有效區分信號中的電磁超聲信號和聲發射信號，即圖12 所示的信號為來自缺陷的聲發射信號。同時從圖11 可得具有“凱瑟效應”的聲發射信號相對信號的比重隨峰值頻率的增加而增加，即在低頻段，信號的主要部分為電磁超聲信號。

非缺陷區域的信號和激勵電流呈較為簡單的近似正比關系，這和電磁超聲信號幅值和激勵電流的線性關系相一致，如圖13 和圖14 所示。

基于渦流加載的電磁聲發射（實驗系統如圖1所示，傳感器、激勵線圈和裂紋試件的布置如圖8所示）對裂紋的定位與試件裂紋尖端位置基本一致，和理論分析相吻合。

圖13 2#試件的信號強度和激勵電流關系Fig.13 The relationship of acoustic emission signal strength and exciting current of 2# sample

圖14 3#試件的信號強度和激勵電流關系Fig.14 Relationship of acoustic emission signal strength and exciting current of 3# sample

5 結論

本文對不同激勵電流下渦流激勵引起的聲發射現象進行了仿真分析和實驗研究，得出以下結論：

（1）渦流激勵不會對構件造成附加損傷。渦流激勵時缺陷的聲發射信號幅值較小、頻帶較寬。

（2）具有“凱瑟效應”的聲發射信號相對信號的比重隨峰值頻率的增加而增加。

（3）聲發射的信號強度和激勵電流并不成線性關系，而是因為凱瑟效應的存在，在屈服強度臨界點的前后均會出現一定程度的聲發射信號減小現象。

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