电磁声发射检测技术的涡流激励方法

刘素贞 金 亮 张 闯 杨庆新,

（1.河北工业大学电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室 天津 300130 2.天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室 天津 300387）

1 引言

声发射（Acoustic Emission,AE）作为一种动态无损检测技术，可以判断缺陷的严重性和设备的剩余寿命，在避免压力容器、叶轮、飞机蒙皮等结构件由于早期疲劳损伤的快速发展引发灾难性事故方面发挥了极为重要的作用[1-3]。

传统的声发射技术需要对待检测构件进行整体加载[4]，声发射传感器会检测到来自构件整体的大量噪声信号，使得声发射信号处理变得十分复杂。使用局部动态电磁激励的电磁声发射技术（Electroma-gnetically Induced Acoustic Emission,EMAE）对试件表面进行缺陷的扫描检测时，可以有效地解决当检测环境复杂时如何从背景噪声中识别出真实缺陷形成和增长产生的声发射信号这一难题[5]。

在导体中感应的涡流在外磁场作用下产生超声波，通过检测超声波在缺陷处的反射、透射和散射对缺陷进行无损探伤，是一项较成熟的技术[6,7]，但通过电磁加载在导体材料中激发声发射却是一种新的技术，其集合了电磁检测方法和声发射检测方法的优点[8,9]。文献[10-12]对采用电极直接加载的电磁声发射进行了分析和实验，证明了电磁激励对于早期疲劳损伤的检测能力。目前电磁声发射检测技术的直接加载方式，存在加载不方便、对电源要求过高的缺点。

课题组对电磁线圈引入电磁激励的电磁声发射技术进行了初步研究[13]。使用电磁线圈在金属板上激发涡流的方法引入电磁激励，使得电磁声发射技术对于电源的要求大大降低并使得加载方式是非接触的，使其工程应用成为可能。在此基础上，本文使用有限元方法计算和分析缺陷顶点的形变以及随激励电流的变化规律，并使用断裂力学分析了缺陷顶点形变的性质，证明本文的电磁激励不会使缺陷产生扩展，并通过实验验证了声发射信号随激励电流的变化规律，得出了在不同激励电流下声发射信号的波形特征，这为使用有限元方法直接计算和分析电磁声发射信号的幅频特性提供了坚实的理论和实验基础。

2 涡流激励声发射的仿真与分析

2.1 涡流激励声发射的原理

一个带有径向裂纹的圆孔是金属薄板中典型的疲劳损伤，动态电磁感应涡流的电磁声发射的实验原理，如图1 所示。使用电磁线圈将涡流引入到金属薄板中，涡流在缺陷（尤其是裂纹型缺陷）表面会产生集中现象，即缺陷开裂面的电流密度明显大于缺陷周围。在电磁场的作用下，在导体缺陷部位会产生使缺陷屈服的力，激发缺陷本身振动甚至尖端屈服，进而产生自调制的声发射信号。四个声发射传感器采集的信号经前置放大器放大后传送至信 号采集卡转换为数字信号。对数字信号进行处理、分析，判断其性质并使用二维时差法定位信号源的位置，实现对缺陷性质的判定和缺陷顶点的定位。使用钕铁硼永磁体产生垂直于缺陷平面的磁场B来加强声发射效应，如图1 所示。

图1 动态电磁感应涡流的电磁声发射原理Fig.1 Experimental setup of electromagnetically induced acoustic emission with eddy current exciting

2.2 涡流激励声发射的数学及仿真模型

由于在加载方式上，涡流激励声发射和电磁超声技术相仿，因而需要研究如何降低和避免电磁超声信号对声发射信号检测、处理、分析和缺陷判定方面的干扰。

铁磁材料中洛伦兹力、磁致伸缩力在大小、方向和频率响应上的差异使得铁磁材料声信号的幅频特性非常复杂，非铁磁材料仅有洛伦兹力的作用，在幅频特性上相对简单，而在压力容器、叶轮、飞机蒙皮等结构件中得到大量应用的铝合金材料有迫切的早期疲劳损伤的检测需求，因而本文以金属铝板在电磁激励下的声发射响应作为研究对象。

声发射信号是由缺陷处的形变差异引起缺陷本身的振动甚至屈服所激发的，故本文通过研究缺陷在不同激励条件下形变的变化规律得到缺陷的声发射信号随激励电流的变化规律。

电磁声发射是通过电磁加载产生声发射响应，本质上说是一个电磁-力-形变耦合问题。频率为kHz时，铝板中的交变电磁场可视为磁准稳态场，并可以忽略位移电流的影响。

式中，Hd是交变磁场强度；Jf是传导电流密度。

介质方程为

式中，B是磁感应强度；μ是磁导率。

铝板中的磁感应强度B由交变磁场Bd与外部提供的静磁场Bs叠加而成，其表达式为

根据电磁感应定律，交变磁场会感应出电场

式中，E是交变磁场感应的电场；Je是涡流密度；σ是电导率。

铝板中感应的涡流Je在静磁场及交变磁场作用下会产生洛仑兹力，即

F也是激发声发射现象的力载荷，各向同性弹性介质中声波传输方程为[11]

式中，E和μ分别是材料的弹性模量和泊松比；m是材料的密度；u是位移（形变）。

空心环形线圈电感量的经验计算公式为

式中，D为线圈直径；N为线圈的匝数；C为线圈的长度。

电磁线圈的激励电流为

式中，coilI˙为电磁线圈的激励电流；ω为激励电流的角频率；U˙为电磁线圈的激励电压。

激励线圈和试件的距离很近，可以认为在试件上只有沿Z轴的磁场分布。依据安培环路定律可知螺线管线圈的近场磁场强度

综合式（8）～式（10）可得

由电磁感应定律易知，试件上的涡流显然和磁场强度Hz单调增加关系。因此，电磁线圈的匝数应当尽可能少，但匝数多的环形线圈能激发更加均匀的电流密度。因而，线圈匝数应当在不超出电源输出能力的基础上适当多一些。综合衡量电源、涡流分布等因素，采用一个厚度为 10mm、内半径为5mm、外半径为15mm、线径为0.4mm 漆包线绕制的40 匝的圆形环状线圈引入涡流，如图2 所示。

图2 电磁声发射的有限元模型Fig.2 Finite element model of electromagnetically induced acoustic emission

一个带有径向裂纹（长为12mm）通孔的铝质薄板试件（尺寸为500mm×115mm×1.5mm）作为电磁声发射的计算和分析对象，其有限元模型如图2所示。电磁线圈的轴向垂直于铝质薄板。模型外包一个厚度为80mm的空气场。

2.3 涡流激励声发射的有限元计算与分析

使用式（7）瞬态分析方法计算铝质薄板试件缺陷处的电流、电磁力和位移。激励电流的幅值为0～10A，换算成线圈截面的电流密度为 0 ～4.0×106A/m2。本文中，形变取电磁线圈的电流分步加载至最大值过程中形变的最大值。

如图3 所示，流经金属导体的电流在缺陷表面确实产生了集中现象，尤其是在裂缝型缺陷的尖端，其电流密度比其他地方的电流密度大一个数量级。如图4 所示，在电磁场的作用下，在导体裂缝型缺陷部位确实产生了使缺陷屈服的洛仑兹力，其会引起裂缝型缺陷处的形变差异，激发裂缝型缺陷本身振动甚至尖端屈服，产生自调制的声发射信号。

图3 涡流激励时试件的电流密度矢量图Fig.3 Vector illustrations of current density induced by eddy current

图4 涡流激励时试件的洛伦兹力矢量图Fig.4 Vector illustrations of Lorentz stresses induced by eddy current

当激励线圈和圆孔的圆心重合、外置磁场B=0.1T 时，缺陷处的形变云图如图5 所示。在缺陷附近形变有比较大的沿裂缝的梯度，即缺陷处的形变差异很大，这有利于缺陷本身的形变和尖端屈服。

图5 B=0.1T 时缺陷处的形变云图Fig.5 Deformation contours with an external magnetic field at B=0.1T

图6 所示的是裂纹顶点的形变最大值随激励电流的变化规律。激励电流对缺陷处的形变影响明显，在实际工程中，加大电流激励是较为方便的，因此本文主要研究不同电流激励下缺陷的声发射信号。

图6 不同激励电流下裂纹顶点的形变Fig.6 Deformations of crack tips under different current densities

3 涡流激励声发射实验

实验采用直径为10mm的圆形过孔模拟固定金属板材的螺栓孔或者铆钉孔，并使用多次弯曲的方法在圆形过孔边缘预制一条长约 12mm、宽约0.14mm的径向裂纹。为了验证电磁声发射技术对缺陷的检测能力，分别制作了三块铝质薄板试件，试件尺寸为500mm×115mm×1.5mm。1#试件中间有圆孔和裂纹；2#试件中间只有圆孔，无裂纹；3#号试件为完好铝板，既无圆孔也无裂纹。

声发射电源使用功率放大器放大信号发生器产生的猝发激发信号得到大功率的高频脉冲方波。电磁线圈和谐振电容组成的串联谐振电路将高频方波转换为准正弦波电流，进而电磁线圈在铝质薄板试件上感应出准正弦的涡流。电磁线圈激励电流的频率为2.5kHz、占空比为50%，激励电流的持续时间为单周期，如图7 所示。

图7 频率为2.5kHz 时电磁线圈的电流波形Fig.7 Coil current waveform at 2.5kHz

声发射传感器为美国物理声学公司的WSA 宽带传感器，对称放置在缺陷的周边，如图8 所示。前置放大器倍数为40dB。

图8 布置了传感器和激励线圈的带有裂纹的试件Fig.8 Crack specimen with the sensors and excitation coil

4 结果分析与讨论

图9 激励电流为2.5kHz、10A 时裂纹的形变Fig.9 Crack deformations at I=10A and f =2.5kHz

实验中，激励电流频率为2.5kHz，电流幅值最大为10A。以此数据用式（7）计算，得到沿Y轴正方向、起点位于裂纹顶点、长2cm的一条直线上的形变，如图 9 所示，涡流激励下缺陷顶点的最 大位移为9.8×10-11m。依据弹塑性断裂力学的COD（Crack Opening Displacement）理论，对于薄铝板中的穿透性I 型裂纹，临界张开位移δc为0.09mm[14]，因此涡流激励时缺陷顶点的形变最大值均远小于δc，故电磁激励的声发射信号并不是缺陷的扩展所产生的，且涡流激励声发射检测技术中的局部电磁激励不会对构件造成附加损伤。

依据声发射理论，对于裂纹型缺陷，狭义的具有“凯瑟效应”的非裂纹扩展的声发射信号来自于缺陷尖端不连续屈服达到屈服强度临界点时，裂纹尖端的能量释放。而9.8×10-11m 级别的形变，可以产生“位错”以下级别的声发射信号，故本文的涡流激励声发射的信号幅值较小、频率较宽。

电磁线圈的激励电流频率为 2.5kHz，外磁场B=0.1T，1#试件典型的声发射信号的时域和频域波形，如图10 所示。从时域图可以得出，声发射信号的强度很低，放大100 倍的信号小于2mV。

图10 B=0.1T，1#试件的声发射信号波形Fig.10 Acoustic emission signal of 1# sample with an external magnetic field at B=0.1T

从频域图可以得出，声发射信号的频率范围从20kHz 延伸到800kHz，且信号能量集中在低频段。频域峰值频率主要有4 个：29.30kHz、87.85kHz、218.8kHz、585.0kHz，不同激励电流下频域内峰值频率的强度和激励电流关系如图11 所示。为了能更清楚地观察变化规律，单独的585.0kHz 频域内峰值频率的强度和激励电流的关系如图12 所示。

图11 1#试件的声发射信号强度和激励电流关系Fig.11 Relationship of AE signal strength and exciting current of 1# sample

图12 1#试件的585.0kHz 声发射信号强度和 激励电流的关系Fig.12 The relationship of 585.0kHz acoustic emission signal strength and exciting current of 1# sample

依据凯瑟效应，裂纹在出现屈服现象前，屈服影响区的前端会出现钝化区，此时声发射信号会减小，随应变的增加当屈服强度达到临界点，钝化区域会迅速扩张并伴随强烈的声发射信号，此时继续 加大激励，屈服影响区会再次积累应变，重复这一过程，即在屈服强度临界点的前后均会出现一定程度的声发射信号减小现象，此现象可以有效区分信号中的电磁超声信号和声发射信号，即图12 所示的信号为来自缺陷的声发射信号。同时从图11 可得具有“凯瑟效应”的声发射信号相对信号的比重随峰值频率的增加而增加，即在低频段，信号的主要部分为电磁超声信号。

非缺陷区域的信号和激励电流呈较为简单的近似正比关系，这和电磁超声信号幅值和激励电流的线性关系相一致，如图13 和图14 所示。

基于涡流加载的电磁声发射（实验系统如图1所示，传感器、激励线圈和裂纹试件的布置如图8所示）对裂纹的定位与试件裂纹尖端位置基本一致，和理论分析相吻合。

图13 2#试件的信号强度和激励电流关系Fig.13 The relationship of acoustic emission signal strength and exciting current of 2# sample

图14 3#试件的信号强度和激励电流关系Fig.14 Relationship of acoustic emission signal strength and exciting current of 3# sample

5 结论

本文对不同激励电流下涡流激励引起的声发射现象进行了仿真分析和实验研究，得出以下结论：

（1）涡流激励不会对构件造成附加损伤。涡流激励时缺陷的声发射信号幅值较小、频带较宽。

（2）具有“凯瑟效应”的声发射信号相对信号的比重随峰值频率的增加而增加。

（3）声发射的信号强度和激励电流并不成线性关系，而是因为凯瑟效应的存在，在屈服强度临界点的前后均会出现一定程度的声发射信号减小现象。

[1]Ji Baifeng,Qu Weilian.The research of acoustic emission techniques for non destructive testing and health monitoring on civil engineering structures[C].International Conference on Condition Monitoring and Diagnosis,BeiJing,2008:782-785.

[2]Hensman J,Pullin R,Meaton,et al.Detecting and identifying artificial acoustic emission signals in an in industrial fatigue environment[J].Measurement Science and Technology,2009,20(4):251-260.

[3]Eleftherion Peter M.Partial discharge detection and source location in production and in-service high-voltage transformers using acoustic emission[C].International Society for Optical Engineering,Oakland,UAS,1995:256-267.

[4]耿荣生,沈功田,刘时风.声发射信号处理与分析技术[J].无损检测,2002,24(1):22-28.Geng Rongsheng,Shen Gongtian,Liu Shifeng.Acoustic emission signal processing and analysis technique[J].Nondestructive Testing,2002,24(1):23-28.

[5]Jin Liang,Liu Suzhen,Yang Qingxin,et al.Application of eddy load in electromagenetic acoustic emission[C].The 11th International Conference on Electrical Machines and Systems,2008:395-397.

[6]Mirkhani Koorosh,Chaggares Chris,Masterson Chris,et al.Optimal design of EMAT transmitters[J].NDT and E International,2004,37(3):181-193.

[7]Jian X,Dixon S,Edwards R S,Morrison J.Coupling mechanism of an EMAT[J].Ultrasonics,2006,44:653-656.

[8]Finkel P,Godinez V,Miller R.Electromagnetically induced acoustic emission-novel NDT technique for damage evaluation[C].American Institute of Physics Conf.,2001,557:1747-1754.

[9]Finkel P,Godinez V.Numerical simulations of an electromagnetic of the ultrasonic signal for nondestructive detection of ferromagnetic inclusions and flaws[J].IEEE Transactions on Magnetics,2004,40(4):2179-2181.

[10]陈中剑,杨庆新.电磁声发射技术研究[J].大众科技,2006(6):23-24.Chen Zhongjian,Yang Qingxin.Study on electromagnetically induced acoustic emission technique[J].Popular Technology,2006(6):23-24.

[11]刘素贞,杨庆新,金亮,等.电磁声发射技术在无损检测中的应用研究[J].电工技术学报,2009,24(1):23-27.Liu Suzhen,Yang Qingxin,Jin Liang,et al.Application of electromagnetic acoustic emission technology in non-destructive testing[J].Transactions of China Electrotechnical Society,24(1):23-27.

[12]张闯,刘素贞,杨庆新,等.基于 FFT 和小波包变换的电磁声发射信号处理[J].电工技术学报,2010,25(4):24-28.Zhang Chuang,Liu Suzhen,Yang Qingxin,et al.Signal processing of electromagnetically induced acoustic emission based on FFT and wavelet packet transform[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2010,25(4):24-28.

[13]Jin Liang,Yang Qingxin,Liu Suzhen.Electroma-gnetic stimulation of the acoustic emission for fatigue crack detection of the sheet metal[J].IEEE Transac-tions on Applied Superconductivity,2010,20(3):1848-1854.

[14]牛丽萍,杨邦成,徐磊,等.铝合金裂纹稳定扩展数值分析[J].科学技术与工程.2007,7(19):4842-4845.Niu Liping,Yang Bangcheng,Xu Lei,et al.Numerical analysis of stable crack tearing in aluminum alloy[J].Science Technology and Engineering,2007,7(19):4142-4845.