蔡智超,張 闖

(1.華東交通大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,南昌 330013;2.河北工業(yè)大學(xué)電磁場(chǎng)與電器可靠性省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300130)

融合電磁超聲載波的聲發(fā)射傳播特性分析*

蔡智超1*,張 闖2

(1.華東交通大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,南昌 330013;2.河北工業(yè)大學(xué)電磁場(chǎng)與電器可靠性省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300130)

電磁聲發(fā)射是通過對(duì)缺陷導(dǎo)電結(jié)構(gòu)件施加非接觸式電磁載荷,進(jìn)而激發(fā)聲發(fā)射應(yīng)力波,并據(jù)此效應(yīng)來進(jìn)行構(gòu)件無(wú)損檢測(cè)。本文針對(duì)電磁聲發(fā)射信號(hào)不適合較遠(yuǎn)距離傳播問題,融合電磁超聲技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)聲發(fā)射應(yīng)力波的載波遠(yuǎn)距離傳輸。文章首先從自由電子運(yùn)動(dòng)理論出發(fā),從微觀層面上研究電流對(duì)金屬位錯(cuò)激活能的影響,推導(dǎo)出定向漂移的自由電子與位錯(cuò)碰撞時(shí)所產(chǎn)生的能量交換;其次搭建了融合電磁超聲載波的電磁聲發(fā)射有限元模型,分析了多個(gè)特征源激勵(lì)下的應(yīng)力波傳播位移;最后利用希爾伯特黃變換方法對(duì)載波實(shí)驗(yàn)信號(hào)進(jìn)行了分析比較。本文通過對(duì)傳統(tǒng)的電磁聲發(fā)射激勵(lì)端研究、改進(jìn),提升電磁超聲對(duì)電磁聲發(fā)射應(yīng)力波的傳輸特性,拓寬了電磁聲發(fā)射檢測(cè)的應(yīng)用范圍。

電磁聲發(fā)射;電磁超聲;融合;載波;傳播特性

循環(huán)型失效是承壓型結(jié)構(gòu)的主要失效模式,同時(shí)在加工以及制造過程中存在各類缺陷,在工況循環(huán)載荷作用下,極易產(chǎn)生疲勞裂紋進(jìn)而影響整體結(jié)構(gòu)的疲勞壽命,由此可能引發(fā)災(zāi)難性的事故[1]。因此對(duì)于循環(huán)載荷作用下所含缺陷設(shè)備的安全性的檢測(cè)評(píng)估尤為重要。其中電磁聲發(fā)射技術(shù)使用局部的電磁激勵(lì)代替了聲發(fā)射傳統(tǒng)的整體加載,避免對(duì)完好區(qū)域造成損傷以及非檢測(cè)區(qū)域噪聲信號(hào)的干擾,可利用這一特性對(duì)特定區(qū)域的缺陷進(jìn)行甄別。因此該方法對(duì)于萌生的疲勞裂紋、瞬時(shí)故障有較好的檢測(cè)能力[2-4],該方法兼顧聲發(fā)射對(duì)動(dòng)態(tài)裂紋檢測(cè)的高效率以及電磁無(wú)損檢測(cè)的非接觸、無(wú)需耦合劑、惡劣環(huán)境下局部加載等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

然而,電磁聲發(fā)射檢測(cè)裂紋研究中存在兩個(gè)問題:一是電磁加載過程中應(yīng)區(qū)分電磁激勵(lì)所產(chǎn)生的彈性超聲波與電磁聲發(fā)射應(yīng)力波;二是電磁聲發(fā)射信號(hào)非常微弱,并不適合于遠(yuǎn)距離傳輸,存在著未傳達(dá)至接收換能器時(shí)便已衰減的問題。因此為了傳輸、獲取、區(qū)分所評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)件性能和缺陷狀態(tài)的聲發(fā)射信號(hào),且保證原始信號(hào)的完整性,本文選擇融合電磁超聲載波的電磁聲發(fā)射方法,旨在探索融合檢測(cè)方式對(duì)疲勞損傷檢測(cè)的可行性。

融合電磁超聲載波的電磁聲發(fā)射源于傳統(tǒng)的聲-超聲技術(shù)[5-6],同樣也具備評(píng)估彌散缺陷分布以及材料力學(xué)性質(zhì)變化等基礎(chǔ)應(yīng)用能力,并且集電磁超聲和電磁聲發(fā)射技術(shù)特點(diǎn)于一身:如圖1所示,利用復(fù)合線圈在被測(cè)表面感應(yīng)渦流,由于缺陷邊界的存在對(duì)表面渦流分布造成一定的影響,并在裂紋尖端處產(chǎn)生渦流集中效應(yīng),基于電致塑性效應(yīng)將在該處激勵(lì)電磁聲發(fā)射信號(hào);同樣基于電磁-結(jié)構(gòu)耦合換能原理在電磁線圈正下方渦流區(qū)域也將產(chǎn)生振動(dòng)的超聲彈性波[7]。因此,在同時(shí)激發(fā)超聲波與聲發(fā)射應(yīng)力波兩種聲波的前提下,利用超聲波攜帶聲發(fā)射信號(hào)完成遠(yuǎn)距離傳輸過程,提高聲波傳輸效率以實(shí)現(xiàn)對(duì)疲勞裂紋評(píng)估。

圖1 融合檢測(cè)中電磁聲發(fā)射模型圖

本文從自由電子理論出發(fā)分析電磁聲發(fā)射機(jī)理,利用有限元方法實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁超聲載波過程比較、分析、計(jì)算試塊中聲波的傳播過程以及超聲波載波情況。制作含疲勞裂紋的損傷試件,設(shè)計(jì)了電磁檢測(cè)線圈及融合電磁超聲載波的電磁聲發(fā)射實(shí)驗(yàn),并基于希爾伯特黃方法對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中所采集到的應(yīng)力波信號(hào)進(jìn)行特征分析,探究不同頻率下超聲的載波效率等問題。

1 基于自由電子理論的電磁聲發(fā)射分析

瞬時(shí)高密度電流作為一種附加注入能量將對(duì)原子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生影響,促進(jìn)原子擴(kuò)散能力,推動(dòng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)(滑移、攀移),美國(guó)Conrad學(xué)者將定向運(yùn)動(dòng)電子與不規(guī)則原子排列產(chǎn)生的位錯(cuò)作用情況定義為電子風(fēng)力[8-9]。

在電子風(fēng)力的作用下,位錯(cuò)的自由端繞扎釘中心旋轉(zhuǎn),直至位錯(cuò)線方向與電流方向平行,此時(shí)電子風(fēng)力對(duì)位錯(cuò)的作用最小。漂移電子通過碰撞使得電子的自身能量轉(zhuǎn)移至位錯(cuò),并增強(qiáng)了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),即位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)與漂移電子運(yùn)動(dòng)方向有關(guān),同樣外加靜磁場(chǎng)能對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向產(chǎn)生影響。所以從自由電子層面研究有利于分析電磁加載對(duì)金屬位錯(cuò)的具體影響,能更直觀地得出施加的電磁載荷參量與聲發(fā)射之間的關(guān)系。

導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)并非完美,或多或少會(huì)存在晶體缺陷、空位、位錯(cuò)、雜質(zhì)等,這些將散射漂移電子。常溫中原子依然存在熱運(yùn)動(dòng),其將在晶格位置上下振動(dòng)。漂移電子無(wú)法避免與這些振動(dòng)的原子相碰撞,而被振動(dòng)的晶格散射并做無(wú)規(guī)則隨機(jī)運(yùn)動(dòng),即在無(wú)電場(chǎng)的情況下漂移電子在任何方向都不會(huì)顯示任何凈位移。如存在一個(gè)固定電場(chǎng),漂移電子會(huì)與振動(dòng)的原子突然碰撞并損失部分動(dòng)能,但由于電場(chǎng)力的存在,其在圍繞固定方向上做加速運(yùn)動(dòng),并不斷與該區(qū)域上的原子撞擊,這種電子傳遞的方式會(huì)使運(yùn)動(dòng)方向及能量發(fā)生改變,從而獲得與場(chǎng)強(qiáng)相關(guān)的穩(wěn)定漂移速率,雖然運(yùn)動(dòng)路徑是曲折的,但在宏觀上表現(xiàn)為定向運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)電子受x方向電場(chǎng)Ex作用下的漂移速率vdx,假設(shè)該方向第i個(gè)漂移電子受電場(chǎng)作用在ti時(shí)刻與某一原子發(fā)生碰撞,碰撞后瞬時(shí)速度為uxi,在電場(chǎng)力作用下以加速度eEx/me經(jīng)過(t-ti)時(shí)間,在t時(shí)刻產(chǎn)生的瞬時(shí)速率vxi為:

(1)

式中:e為單個(gè)電子電荷,me為單個(gè)電子質(zhì)量。

式(1)是針對(duì)某一電子而言的速率分析,如若考慮總數(shù)為N個(gè)電子進(jìn)行速率平均可得:

(2)

(3)

式中:μd=eτ/me為遷移率,作為電子常數(shù),其與電子平均散射時(shí)間τ有直接的關(guān)系,晶格振動(dòng)、晶體缺陷和雜質(zhì)等的存在也會(huì)影響τ的變化。顯然針對(duì)于相同的材料而言,在結(jié)構(gòu)不發(fā)生任何變化的情況,其遷移率是個(gè)恒定值。由式(3)可知電場(chǎng)強(qiáng)度越大,漂移速率也越大。

(4)

式中:n為導(dǎo)體內(nèi)單位電子數(shù)目,d表示密度,Mst指代單位體積原子總質(zhì)量,NA為單位體積原子個(gè)數(shù)。

導(dǎo)帶中電子平均速度u達(dá)到106m/s,因此在極高的工作電流(～107A/mm2)或電壓(～102kV/m)加載情況下,其引起的漂移速率遠(yuǎn)小于電子的平均速度。所以當(dāng)電場(chǎng)作用于一個(gè)導(dǎo)體時(shí),實(shí)際上其平均速率并不受影響。電場(chǎng)的加載并不能改變電子平均速率,即加強(qiáng)電場(chǎng)幅值不能改變電子熱運(yùn)動(dòng)過程,從另外一個(gè)側(cè)面也就說明了焦耳熱效應(yīng)在電致塑性過程中的作用極低。漂移電子與原子碰撞的激烈程度未變,電子所具有的動(dòng)能并未發(fā)生明顯變化。

(5)

當(dāng)漂移電子在其運(yùn)動(dòng)路徑上與晶體缺陷內(nèi)大量位錯(cuò)交互時(shí),弛豫時(shí)間τ將變小,漂移電子會(huì)更為集聚,則單位時(shí)間內(nèi)漂移電子與位錯(cuò)區(qū)域中原子的碰撞幾率zE=1/τ將明顯增大。則單位時(shí)間內(nèi)位錯(cuò)區(qū)域從漂移電子中獲得的能量更為集中。

(6)

式中:PE?P=zW,z表示單位時(shí)間內(nèi)每個(gè)自由電子與位錯(cuò)碰撞的次數(shù),P則代表了單位時(shí)間單個(gè)位錯(cuò)從自由電子獲得的能量。式(6)中NE為單位時(shí)間撞擊位錯(cuò)區(qū)域的電子濃度。

(7)

由式(7)可得電場(chǎng)的作用強(qiáng)度越大,其在單位時(shí)間內(nèi)撞擊位錯(cuò)區(qū)域的電子濃度就會(huì)越高。

因此在施加電場(chǎng)情況下,電子與構(gòu)成位錯(cuò)的原子相碰撞,位錯(cuò)結(jié)構(gòu)中的原子將獲得能量:瞬時(shí)高幅值電場(chǎng)加載,伴隨著原子在短時(shí)間內(nèi)與大量漂移電子的撞擊,位錯(cuò)原子將瞬間積累強(qiáng)大的能量。位錯(cuò)原子所獲得集中的電子轉(zhuǎn)移的能量能夠克服勢(shì)壘障礙,促使位錯(cuò)滑移。若形成晶格位錯(cuò)的原子平均數(shù)為M,則在單位時(shí)間內(nèi)電場(chǎng)產(chǎn)生的漂移電子作用于位錯(cuò)的總能量為:

PT=MPE

(8)

式(8)為轉(zhuǎn)移至位錯(cuò)的總能量,形成電磁加載后的激活能。因此基于經(jīng)典自由電子理論可定性地給出電場(chǎng)作用強(qiáng)度與電磁聲發(fā)射的直接關(guān)系:①導(dǎo)體的遷移率越大,更易實(shí)現(xiàn)漂移電子的運(yùn)動(dòng),電子在移動(dòng)過程中與位錯(cuò)的碰撞頻率將增大,傳遞給位錯(cuò)的能量就越大;②電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了漂移電子的定向移動(dòng),使得電子的運(yùn)動(dòng)路徑與位錯(cuò)發(fā)生交叉;漂移電子的集聚,實(shí)現(xiàn)大量數(shù)目漂移電子與位錯(cuò)之間的能量轉(zhuǎn)換;③增強(qiáng)電場(chǎng)推動(dòng)電子的漂移速率以改變單位時(shí)間內(nèi)作用于位錯(cuò)的數(shù)目。同時(shí)晶格位錯(cuò)的數(shù)目增加也會(huì)縮短弛豫時(shí)間,增加每單位時(shí)間的碰撞幾率;④電場(chǎng)的加載時(shí)間持續(xù)必然體現(xiàn)位錯(cuò)能量的積累,這個(gè)期間產(chǎn)生焦耳熱現(xiàn)象將增強(qiáng)原子自身的振動(dòng)頻率,改變弛豫時(shí)間,進(jìn)而提高轉(zhuǎn)換能量的累積。

故在電磁聲發(fā)射過程中,源于能量轉(zhuǎn)換的電子風(fēng)力及長(zhǎng)時(shí)間加載的焦耳熱效應(yīng)是相互關(guān)聯(lián),并且與缺陷屬性、電磁加載條件等緊密相關(guān)。

圖2 融合檢測(cè)中電磁聲發(fā)射有限元模型

2 融合檢測(cè)聲場(chǎng)有限元計(jì)算

融合檢測(cè)中電磁聲發(fā)射檢測(cè)有限元模型,如圖2所示,U型永磁鐵兩極頭使用型號(hào)為N35的釹鐵硼,其剩磁為y軸方向1.2 T,極頭中間放置鐵氧體。選擇500 kHz控制頻率復(fù)合線圈如圖1所示,電磁線圈通以持續(xù)時(shí)間為87.5 μs的500 kHz正弦周期50 A電流,交變磁場(chǎng)以及靜磁場(chǎng)共同作用所產(chǎn)生的洛倫茲力設(shè)定為結(jié)構(gòu)場(chǎng)的體力載荷,對(duì)金屬表面固定點(diǎn)施加特定函數(shù)作用力以實(shí)現(xiàn)電磁聲發(fā)射載荷的模擬。

真實(shí)電磁聲發(fā)射信號(hào)具有中心頻率、較寬的信號(hào)頻帶以及極短的持續(xù)時(shí)間等特點(diǎn)。因此,利用高斯窗函數(shù)調(diào)制掃頻信號(hào)進(jìn)行近似描述,其控制方程為:

(9)

式中:A為信號(hào)幅值,fs為信號(hào)下限截止頻率,B為信號(hào)頻帶寬度,T為信號(hào)瞬時(shí)持續(xù)時(shí)間。針對(duì)此模型設(shè)計(jì)模擬聲發(fā)射信號(hào)fs=275 kHz、B=50 kHz,即信號(hào)頻率范圍為275 kHz～325 kHz,其中心頻率為300 kHz,持續(xù)時(shí)間T=87.5 μs,寬帶系數(shù)α=2×109s-2,時(shí)間系數(shù)τ=40 μs,下限截止頻率修正系數(shù)β=0.73,信號(hào)頻帶寬度修正系數(shù)η=0.25。模擬電磁聲發(fā)射函數(shù)波形圖及頻譜圖如圖3、圖4所示。

圖3 電磁聲發(fā)射源函數(shù)F(t)

圖4 電磁聲發(fā)射源函數(shù)F(t)頻譜

在換能區(qū)域(趨膚區(qū)域)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行三層以上的網(wǎng)格剖分,在聲場(chǎng)傳播區(qū)域最大網(wǎng)格尺寸設(shè)定為表面波波長(zhǎng)的1/4,以此保證求解計(jì)算的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

經(jīng)過對(duì)有限元模型瞬態(tài)求解之后,電磁線圈所產(chǎn)生的超聲波面外位移如圖5所示。隨著傳播時(shí)間的增加,表面波位移衰減較慢,而體波位移衰減較快。

2.1 聲波位移分析

為分析應(yīng)力波的傳播效果,對(duì)比3種激勵(lì)源,如表1所示?？梢郧蠼饩嚯x發(fā)射復(fù)合線圈150 mm質(zhì)點(diǎn)處應(yīng)力波產(chǎn)生的聲波面外位移分量OP(Out-Plane Displacement)和面內(nèi)位移分量IP(In-Plane displacement)。該處質(zhì)點(diǎn)位移包括微弱的橫波成份和豐富的表面波成份,并且表面波IP比表面波OP相位超前π/2。

圖5 不同時(shí)刻鋁板中聲波面外位移分布圖

激勵(lì)源描述F(t)(簡(jiǎn)稱F)聲場(chǎng)信號(hào)僅為聲發(fā)射F(t)+螺旋線圈產(chǎn)生的超聲波(簡(jiǎn)稱FSC)聲場(chǎng)信號(hào)為聲發(fā)射與螺旋線圈產(chǎn)生的少量超聲波F(t)+電磁線圈產(chǎn)生的超聲波(簡(jiǎn)稱FCC)聲場(chǎng)信號(hào)為聲發(fā)射與電磁線圈產(chǎn)生的豐富超聲波

“F”激勵(lì)源以模擬真實(shí)反演裂紋尖端的聲發(fā)射信號(hào),其所產(chǎn)生的表面位移頻段為275 kHz～325 kHz,但是其位移最高幅值10-11mm,最為先進(jìn)的聲發(fā)射換能器也僅能采集到10-12mm幅值的信號(hào)。但是所采集的聲發(fā)射信號(hào)將受噪聲干擾,同時(shí)初始、末尾兩端微弱的聲發(fā)射信號(hào)將不易采集,如圖6(a)所示。然而長(zhǎng)距離的聲波傳輸嚴(yán)重影響聲發(fā)射信號(hào)特征的提取,降低聲發(fā)射頻帶寬度。

利用“FSC”來模擬傳統(tǒng)的電磁聲發(fā)射信號(hào),其常由單獨(dú)的螺形線圈施以電磁載荷,然而該過程也將引入超聲彈性波,如圖6(c)、圖6(d)所示,但其引入的超聲幅值較低,與被載的聲發(fā)射信號(hào)幅值幾近相當(dāng),雖能提高應(yīng)力波的傳播距離,實(shí)現(xiàn)部分的載波效應(yīng),但所采集到聲波依然十分微弱,載波效果不顯著。對(duì)于電磁線圈激勵(lì),由于其比傳統(tǒng)的電磁聲發(fā)射激勵(lì)線圈增加了蛇形側(cè)“FCC”,線圈結(jié)構(gòu)如圖9所示,因此這將產(chǎn)生豐富的指向性超聲波,其IP及OP將接近到10-10mm,如圖6(e)、圖6(f)所示,因此增加蛇形側(cè)的電磁線圈能更好的提高載波效率。

圖6 固定點(diǎn)的面內(nèi)及面外位移及FFT分解

圖7 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖

3 電磁聲發(fā)射檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究及信號(hào)分析

圖8 含疲勞裂紋的損傷試件

復(fù)合檢測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示。電磁換能器為復(fù)合線圈與U形永磁體組合。傳統(tǒng)鋁板的聲發(fā)射集中于0～400 kHz,將激勵(lì)電流頻率選擇在500 kHz～1 000 kHz之間,從頻譜上以區(qū)別電磁聲發(fā)射信號(hào)與電磁超聲信號(hào)。試件為0.20 m×0.20 m×0.02 m的6061鋁塊,其中鋁塊邊緣通過線切割制作50 mm預(yù)制裂紋,經(jīng)施加10 kN疲勞載荷,制作長(zhǎng)約58 mm的疲勞裂紋,如圖8所示。

電磁線圈設(shè)計(jì)如圖9所示,螺旋側(cè)均采用線寬0.5 mm、線高0.035 mm、線間距0.3 mm;蛇形側(cè)采用線寬0.1 mm、線高0.035 mm,線間距可變以滿足兩相鄰線圈所通入電流相位相差π,滿足相長(zhǎng)干涉疊加條件[7]。復(fù)合線圈采用柔性印刷電路板制作,減少提離距離以增大電磁載荷效率。

圖9 EMAE換能線圈

以圖9(f)電磁線圈為例,通以f=650 kHz的激勵(lì)電流。采集的時(shí)域信號(hào)波形如圖10(a)所示,所檢測(cè)信號(hào)在時(shí)域上由連續(xù)的聲波組成,在聲波前半段波包幅值變化較大,而聲波后半段波包幅值相對(duì)平穩(wěn)。對(duì)該時(shí)域信號(hào)進(jìn)行HHT變換求得邊際譜如圖10(b)所示,在650 kHz頻段附近的聲波信號(hào)最為強(qiáng)烈,即為電磁-結(jié)構(gòu)換能所產(chǎn)生的超聲彈性波為主要貢獻(xiàn),而在50 kHz～150 kHz以及350 kHz～450 kHz低頻段所呈現(xiàn)幅值較低、特征頻段突出等特點(diǎn),即為電磁聲發(fā)射應(yīng)力波信號(hào)為主要貢獻(xiàn)。

圖10 實(shí)驗(yàn)特征信號(hào)

文獻(xiàn)[10]表明水平磁場(chǎng)下電磁聲發(fā)射隨著頻率變化所產(chǎn)生的總能量保持一致,對(duì)于相同電流幅值下不同頻率的激發(fā)其產(chǎn)生的聲發(fā)射特性差異并不顯著,即利用U型磁鐵作為水平磁場(chǎng)激勵(lì),便可視其產(chǎn)生的電磁聲發(fā)射信號(hào)為恒定的聲波信號(hào)。

因此需對(duì)已采集的應(yīng)力波信號(hào)進(jìn)行超聲波濾波處理,給定原始信號(hào)一個(gè)500 kHz的低通濾波,再進(jìn)行特定的信號(hào)處理方法:希爾伯特黃HHT(Hilbert-Huang)變換方法對(duì)非線性、非平穩(wěn)信號(hào)的聲發(fā)射信號(hào)具有良好的處理能力,能夠自適應(yīng)的時(shí)頻分解并增強(qiáng)了時(shí)頻集聚性,降低頻譜能量泄露的同時(shí)提高了時(shí)頻分辨率[11-13]。通過希爾伯特黃變換所求解各個(gè)本征模態(tài)函數(shù)IMF分量所占的不同的能量值:

(10)

式中:n表示為電磁聲發(fā)射信號(hào)的長(zhǎng)度,該值是由采樣長(zhǎng)度與預(yù)觸發(fā)值有關(guān),ci(k)代表第i個(gè)IMF分量中的第k個(gè)元素,每個(gè)IMF分量的能量比值為:

Pi=Ei/Et

(11)

式中:Et表示IMF分量的總能量,即為各個(gè)Ei之和。

圖11 不同激勵(lì)頻率下應(yīng)力波總能量

按式(11)求解各控制頻率線圈激發(fā)的聲發(fā)射信號(hào)的總能量Et。如11所示,當(dāng)對(duì)所有設(shè)計(jì)頻段的電磁線圈進(jìn)行激勵(lì)如圖9所示,圖9(d)電磁線圈產(chǎn)生的總能量明顯高于其他激勵(lì)線圈所產(chǎn)生的能量,這是由于450 kHz激勵(lì)線圈所產(chǎn)生的彈性波頻率與聲發(fā)射特征頻率發(fā)生重合,該部分的彈性波并未通過低通濾波器濾除,同時(shí)其頻率混疊將影響聲發(fā)射信號(hào)特征分析,因此該頻段并不適用于作為載波頻段。本文針對(duì)550 kHz～950 kHz頻率的電磁激勵(lì)所采集到的應(yīng)力波信號(hào)進(jìn)行分析,先濾除500 kHz以上彈性超聲波再對(duì)聲發(fā)射應(yīng)力波進(jìn)行分析。

通過希爾伯特黃計(jì)算可得計(jì)算可知信號(hào)中95%以上的能量集中于IMF1～I(xiàn)MF 5分量,表2為各個(gè)IMF分量對(duì)應(yīng)的頻率范圍。

表2 IMF分量頻帶范圍

如圖12所示,不同的彈性超聲波下IMF1分量的Ei值呈相對(duì)上升趨勢(shì),而其他分量的Ei值趨勢(shì)并不是十分顯著。同樣如圖13所示,IMF1分量的Pi值呈相對(duì)上升趨勢(shì),而其他分量的Pi值變化范圍在0.05～0.30之間。即特征頻段IMF1受載波頻率變化最為顯著。

圖12 不同本征模態(tài)函數(shù)下Ei值情況

圖13 不同本征模態(tài)函數(shù)下Pi值情況

通過對(duì)比分析可以得出:當(dāng)超聲載波與電磁聲發(fā)射特殊頻段相近時(shí),載波效率較低;當(dāng)載波與電磁聲發(fā)射特殊頻段存在一定頻率差時(shí),載波效率較好。這是由于當(dāng)載波頻段與聲發(fā)射特殊頻段相近時(shí),易發(fā)生波速混疊,不適合加載聲發(fā)射信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸。

5 結(jié)論

對(duì)融合電磁超聲載波的電磁聲發(fā)射技術(shù)進(jìn)行理論、仿真、實(shí)驗(yàn)方面的研究,主要結(jié)論如下:①定向電子的自由移動(dòng),通過動(dòng)能的注入激活裂紋尖端位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)自由電子與位錯(cuò)之間的能量交換,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)位錯(cuò)集聚最為明顯的裂紋尖端位錯(cuò)移動(dòng)并釋放應(yīng)力波信息;②電磁聲發(fā)射通過電磁線圈的激勵(lì)必然會(huì)引入彈性波,然而通過電磁換能線圈的改進(jìn),可在產(chǎn)生電磁聲發(fā)射的同時(shí)激勵(lì)出指向性超聲波這一特性,通過超聲載波能力實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁聲發(fā)射應(yīng)力波的遠(yuǎn)距離傳輸。同時(shí)利用適合的頻段激勵(lì)、電磁線圈匹配、濾波等過程能夠在接收端實(shí)現(xiàn)兩種應(yīng)力波的分離。

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蔡智超(1989-),男,講師/博士后。主要從事工程電磁場(chǎng)、電磁無(wú)損檢測(cè)、電工理論新技術(shù)等研究。參與國(guó)家自然科學(xué)基金3項(xiàng),《IEEE Transactions on applied Supercon-ductivity》雜志評(píng)審專家,在電磁超聲與聲發(fā)射復(fù)合檢測(cè)、換能器優(yōu)化、非線性超聲等方面發(fā)表SCI/EI收錄十余篇,zccai@ecjtu.edu.cn。

PropagationCharacteristicsAnalysisofAcousticEmissionIntegratingElectromagneticUltrasonicCarrier*

CAIZhichao1*,ZHANGChuang2

(1.School of Electrical and Automation Engineering,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China; 2.Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China)

Electromagnetic acoustic emission technology(EMAE)does nondestructive detection with the effect of contactless electromagnetic loading to generate a stress field stimulating stress waves from the defective conductive structure. The most significant problem faced by the metallic structural health monitoring method of EMAE is that EMAE signal is not suitable for long distance transmission,this problem was improved by integrating electromagnetic ultrasonic carrier method. Firstly,based on free electron theory,the mechanism of EMAE was studied at a microscopic level which based on the activation energy changed from the electrical current to mobile dislocations. Secondly,the difference of stress wave propagation characteristics under various electromagnetic stimulating conditions was researched by building finite element model. Finally,the comparison between the energy percentage intrinsic mode functions of carrier experiment was discussed by Hilbert-Huang transformation. The stress wave propagation characteristics of EMAE was improved by integrating electromagnetic ultrasonic method which based on the study and improvement of traditional exciting,and the range of EMAE application will be widened.

electromagnetically induced acoustic emission;electromagnetic acoustic;integration;carrier;propagation characteristic

項(xiàng)目來源:國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(51307043);江西省青年科學(xué)基金項(xiàng)目(20171BAB216035)

2017-02-03修改日期:2017-04-19

TB553

:A

:1004-1699(2017)09-1335-08

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.09.006