電磁聲檢測激勵(lì)方法

1、電磁聲檢測激勵(lì)方法     1引言聲發(fā)射（AcousticEmission,AE）作為一種動(dòng)態(tài)無損檢測技術(shù)，可以判斷缺陷的嚴(yán)重性和設(shè)備的剩余壽命，在避免壓力容器、葉輪、飛機(jī)蒙皮等結(jié)構(gòu)件由于早期疲勞損傷的快速發(fā)展引發(fā)災(zāi)難性事故方面發(fā)揮了極為重要的作用1-3。傳統(tǒng)的聲發(fā)射技術(shù)需要對待檢測構(gòu)件進(jìn)行整體加載4，聲發(fā)射傳感器會(huì)檢測到來自構(gòu)件整體的大量噪聲信號(hào)，使得聲發(fā)射信號(hào)處理變得十分復(fù)雜。使用局部動(dòng)態(tài)電磁激勵(lì)的電磁聲發(fā)射技術(shù)（Electroma-gneticallyInducedAcousticEmission,EMAE）對試件表面進(jìn)行缺陷的掃描檢測時(shí)，可以有效

2、地解決當(dāng)檢測環(huán)境復(fù)雜時(shí)如何從背景噪聲中識(shí)別出真實(shí)缺陷形成和增長產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)這一難題5。在導(dǎo)體中感應(yīng)的渦流在外磁場作用下產(chǎn)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(jìn)行無損探傷，是一項(xiàng)較成熟的技術(shù)6,7，但通過電磁加載在導(dǎo)體材料中激發(fā)聲發(fā)射卻是一種新的技術(shù)，其集合了電磁檢測方法和聲發(fā)射檢測方法的優(yōu)點(diǎn)8,9。文獻(xiàn)10-12對采用電極直接加載的電磁聲發(fā)射進(jìn)行了分析和實(shí)驗(yàn)，證明了電磁激勵(lì)對于早期疲勞損傷的檢測能力。目前電磁聲發(fā)射檢測技術(shù)的直接加載方式，存在加載不方便、對電源要求過高的缺點(diǎn)。課題組對電磁線圈引入電磁激勵(lì)的電磁聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行了初步研究13。使用電磁線圈在金屬板上激發(fā)渦流的

3、方法引入電磁激勵(lì)，使得電磁聲發(fā)射技術(shù)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(yīng)用成為可能。在此基礎(chǔ)上，本文使用有限元方法計(jì)算和分析缺陷頂點(diǎn)的形變以及隨激勵(lì)電流的變化規(guī)律，并使用斷裂力學(xué)分析了缺陷頂點(diǎn)形變的性質(zhì)，證明本文的電磁激勵(lì)不會(huì)使缺陷產(chǎn)生擴(kuò)展，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了聲發(fā)射信號(hào)隨激勵(lì)電流的變化規(guī)律，得出了在不同激勵(lì)電流下聲發(fā)射信號(hào)的波形特征，這為使用有限元方法直接計(jì)算和分析電磁聲發(fā)射信號(hào)的幅頻特性提供了堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。2渦流激勵(lì)聲發(fā)射的仿真與分析2.1渦流激勵(lì)聲發(fā)射的原理一個(gè)帶有徑向裂紋的圓孔是金屬薄板中典型的疲勞損傷，動(dòng)態(tài)電磁感應(yīng)渦流的電磁聲發(fā)射的實(shí)驗(yàn)原理，如圖1所示。使用

4、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(huì)產(chǎn)生集中現(xiàn)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(dǎo)體缺陷部位會(huì)產(chǎn)生使缺陷屈服的力，激發(fā)缺陷本身振動(dòng)甚至尖端屈服，進(jìn)而產(chǎn)生自調(diào)制的聲發(fā)射信號(hào)。四個(gè)聲發(fā)射傳感器采集的信號(hào)經(jīng)前置放大器放大后傳送至信號(hào)采集卡轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。對數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理、分析，判斷其性質(zhì)并使用二維時(shí)差法定位信號(hào)源的位置，實(shí)現(xiàn)對缺陷性質(zhì)的判定和缺陷頂點(diǎn)的定位。使用釹鐵硼永磁體產(chǎn)生垂直于缺陷平面的磁場B來加強(qiáng)聲發(fā)射效應(yīng)，如圖1所示。2.2渦流激勵(lì)聲發(fā)射的數(shù)學(xué)及仿真模型由于在加載方式上，渦流激勵(lì)聲發(fā)射和電磁超聲技術(shù)相仿，因而需要研究如何降低和

5、避免電磁超聲信號(hào)對聲發(fā)射信號(hào)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(yīng)上的差異使得鐵磁材料聲信號(hào)的幅頻特性非常復(fù)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(jī)蒙皮等結(jié)構(gòu)件中得到大量應(yīng)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(lì)下的聲發(fā)射響應(yīng)作為研究對象。聲發(fā)射信號(hào)是由缺陷處的形變差異引起缺陷本身的振動(dòng)甚至屈服所激發(fā)的，故本文通過研究缺陷在不同激勵(lì)條件下形變的變化規(guī)律得到缺陷的聲發(fā)射信號(hào)隨激勵(lì)電流的變化規(guī)律。電磁聲發(fā)射是通過電磁加載產(chǎn)生聲發(fā)射響應(yīng)，本質(zhì)上說是一個(gè)電磁-力-形變耦合問題。

6、頻率為kHz時(shí)，鋁板中的交變電磁場可視為磁準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)場，并可以忽略位移電流的影響。鋁板中的磁感應(yīng)強(qiáng)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(dá)式為F也是激發(fā)聲發(fā)射現(xiàn)象的力載荷，各向同性彈性介質(zhì)中聲波傳輸方程為11由電磁感應(yīng)定律易知，試件上的渦流顯然和磁場強(qiáng)度Hz單調(diào)增加關(guān)系。因此，電磁線圈的匝數(shù)應(yīng)當(dāng)盡可能少，但匝數(shù)多的環(huán)形線圈能激發(fā)更加均勻的電流密度。因而，線圈匝數(shù)應(yīng)當(dāng)在不超出電源輸出能力的基礎(chǔ)上適當(dāng)多一些。綜合衡量電源、渦流分布等因素，采用一個(gè)厚度為10mm、內(nèi)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(huán)狀線圈引入渦流，如圖2所示。一個(gè)帶有徑向裂紋（長為

7、12mm）通孔的鋁質(zhì)薄板試件（尺寸為500mm×115mm×1.5mm）作為電磁聲發(fā)射的計(jì)算和分析對象，其有限元模型如圖22.3渦流激勵(lì)聲發(fā)射的有限元計(jì)算與分析使用式（7）瞬態(tài)分析方法計(jì)算鋁質(zhì)薄板試件缺陷處的電流、電磁力和位移。激勵(lì)電流的幅值為010A，換算成線圈截面的電流密度為04.0×106A/m2。本文中，形變?nèi)‰姶啪€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(jīng)金屬導(dǎo)體的電流在缺陷表面確實(shí)產(chǎn)生了集中現(xiàn)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(gè)數(shù)量級(jí)。如圖4所示，在電磁場的作用下，在導(dǎo)體裂縫型缺陷部位確實(shí)產(chǎn)生了使缺陷屈服

8、的洛侖茲力，其會(huì)引起裂縫型缺陷處的形變差異，激發(fā)裂縫型缺陷本身振動(dòng)甚至尖端屈服，產(chǎn)生自調(diào)制的聲發(fā)射信號(hào)。圖6所示的是裂紋頂點(diǎn)的形變最大值隨激勵(lì)電流的變化規(guī)律。激勵(lì)電流對缺陷處的形變影響明顯，在實(shí)際工程中，加大電流激勵(lì)是較為方便的，因此本文主要研究不同電流激勵(lì)下缺陷的聲發(fā)射信號(hào)。3渦流激勵(lì)聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)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(yù)制一條長約12mm、寬約0.14mm的徑向裂紋。為了驗(yàn)證電磁聲發(fā)射技術(shù)對缺陷的檢測能力，分別制作了三塊鋁質(zhì)薄板試件，試件尺寸為500mm×115mm×1.5mm。1#試件中間有圓

9、孔和裂紋；2#試件中間只有圓孔，無裂紋；3#號(hào)試件為完好鋁板，既無圓孔也無裂紋。聲發(fā)射電源使用功率放大器放大信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的猝發(fā)激發(fā)信號(hào)得到大功率的高頻脈沖方波。4結(jié)果分析與討論實(shí)驗(yàn)中，激勵(lì)電流頻率為2.5kHz，電流幅值最大為10A。以此數(shù)據(jù)用式（7）計(jì)算，得到沿Y軸正方向、起點(diǎn)位于裂紋頂點(diǎn)、長2cm的一條直線上的形變，如圖9所示，渦流激勵(lì)下缺陷頂點(diǎn)的最大位移為9.8×10?11m。依據(jù)彈塑性斷裂力學(xué)的COD（CrackOpeningDisplacement）理論，對于薄鋁板中的穿透性I型裂紋，臨界張開位移?c為0.09mm14，因此渦流激勵(lì)時(shí)缺陷頂點(diǎn)的形變最大值均遠(yuǎn)小于?c，故電

10、磁激勵(lì)的聲發(fā)射信號(hào)并不是缺陷的擴(kuò)展所產(chǎn)生的，且渦流激勵(lì)聲發(fā)射檢測技術(shù)中的局部電磁激勵(lì)不會(huì)對構(gòu)件造成附加損傷。依據(jù)聲發(fā)射理論，對于裂紋型缺陷，狹義的具有“凱瑟效應(yīng)”的非裂紋擴(kuò)展的聲發(fā)射信號(hào)來自于缺陷尖端不連續(xù)屈服達(dá)到屈服強(qiáng)度臨界點(diǎn)時(shí)，裂紋尖端的能量釋放。而9.8×10?11m級(jí)別的形變，可以產(chǎn)生“位錯(cuò)”以下級(jí)別的聲發(fā)射信號(hào)，故本文的渦流激勵(lì)聲發(fā)射的信號(hào)幅值較小、頻率較寬。電磁線圈的激勵(lì)電流頻率為2.5kHz，外磁場B=0.1T，1#試件典型的聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)域和頻域波形，如圖10所示。從時(shí)域圖可以得出，聲發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度很低，放大100倍的信號(hào)小于2mV。從頻域圖可以得出，聲發(fā)射信號(hào)的頻率

11、范圍從20kHz延伸到800kHz，且信號(hào)能量集中在低頻段。頻域峰值頻率主要有4個(gè)：29.30kHz、87.85kHz、218.8kHz、585.0kHz，不同激勵(lì)電流下頻域內(nèi)峰值頻率的強(qiáng)度和激勵(lì)電流關(guān)系如圖11所示。為了能更清楚地觀察變化規(guī)律，單獨(dú)的585.0kHz頻域內(nèi)峰值頻率的強(qiáng)度和激勵(lì)電流的關(guān)系如圖12所示。依據(jù)凱瑟效應(yīng)，裂紋在出現(xiàn)屈服現(xiàn)象前，屈服影響區(qū)的前端會(huì)出現(xiàn)鈍化區(qū)，此時(shí)聲發(fā)射信號(hào)會(huì)減小，隨應(yīng)變的增加當(dāng)屈服強(qiáng)度達(dá)到臨界點(diǎn)，鈍化區(qū)域會(huì)迅速擴(kuò)張并伴隨強(qiáng)烈的聲發(fā)射信號(hào)，此時(shí)繼續(xù)加大激勵(lì)，屈服影響區(qū)會(huì)再次積累應(yīng)變，重復(fù)這一過程，即在屈服強(qiáng)度臨界點(diǎn)的前后均會(huì)出現(xiàn)一定程度的聲發(fā)射信號(hào)減小現(xiàn)象，此現(xiàn)象可以有效區(qū)分信號(hào)中的電磁超聲信號(hào)和聲發(fā)射信號(hào)，即圖12所示的信號(hào)為來自缺陷的聲發(fā)射信號(hào)。同時(shí)從圖11可得具有“凱瑟效應(yīng)”的聲發(fā)射信號(hào)相對信號(hào)的比重隨峰值頻率的增加而增加，即在低頻段，信號(hào)的主要部分為電磁超聲信號(hào)。非缺陷區(qū)域的信號(hào)和激勵(lì)電流呈較為簡單的近似正比關(guān)系，這和電磁超聲信號(hào)幅值和激勵(lì)電流的線性關(guān)系相一致，如圖13和圖14所示?；跍u流加載的電磁聲發(fā)射（實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，傳感器、激勵(lì)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。5結(jié)論