渦流式電磁聲發(fā)射檢測(cè)聲波響應(yīng)特性

蔡智超劉素貞張 闖楊慶新,2

（1. 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 2. 天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300387）

渦流式電磁聲發(fā)射檢測(cè)聲波響應(yīng)特性

蔡智超1劉素貞1張 闖1楊慶新1,2

（1. 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 2. 天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300387）

渦流式電磁聲發(fā)射檢測(cè)由于其局部非接觸式加載方式，適用于惡劣環(huán)境下對(duì)金屬構(gòu)件損傷在線檢測(cè)，同時(shí)也是對(duì)傳統(tǒng)聲發(fā)射技術(shù)的有利補(bǔ)充。針對(duì)不同電磁載荷條件下電磁聲發(fā)射產(chǎn)生的聲波響應(yīng)問(wèn)題進(jìn)行深入研究。通過(guò)引入電致塑性理論和自由電子運(yùn)動(dòng)理論，分析渦流加載下裂紋尖端位錯(cuò)滑移速率變化及聲發(fā)射能量釋放機(jī)理，探究不同磁場(chǎng)方向加載下電子的定向移動(dòng)對(duì)聲發(fā)射響應(yīng)影響，利用希爾伯特黃變換方法實(shí)現(xiàn)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)的特性分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：電磁聲發(fā)射過(guò)程中應(yīng)力波特征與電磁加載條件密切相關(guān)。因此，電磁聲發(fā)射過(guò)程為定向移動(dòng)電子越過(guò)障礙勢(shì)壘產(chǎn)生的特定聲波響應(yīng)。

電磁聲發(fā)射 電致塑性 自由電子理論 希爾伯特黃變換

0 引言

相比其他無(wú)損檢測(cè)方法，聲發(fā)射檢測(cè)方法需對(duì)已損構(gòu)件施加一定的載荷以增加已有缺陷處的活動(dòng)性，利用缺陷微擴(kuò)展快速釋放的瞬態(tài)應(yīng)力波現(xiàn)象對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的實(shí)際有害程度進(jìn)行評(píng)估。然而對(duì)未知損傷構(gòu)件的在線整體加載而言，目前還存在一定的技術(shù)困難及隨之而來(lái)的經(jīng)濟(jì)成本問(wèn)題，且傳統(tǒng)的機(jī)械載荷方式還會(huì)帶來(lái)額外損傷。非接觸式渦流局部載荷可對(duì)構(gòu)件進(jìn)行在線檢測(cè)，且不必對(duì)表面進(jìn)行預(yù)處理，定量載荷控制也不會(huì)造成額外損傷，是一種經(jīng)濟(jì)、安全、可靠的新型聲發(fā)射檢測(cè)加載方法[1]。

電磁聲發(fā)射（Electromagnetic Acoustic Emission, EMAE）技術(shù)是傳統(tǒng)聲發(fā)射檢測(cè)方法的補(bǔ)充，該技術(shù)利用電磁激勵(lì)在缺陷處產(chǎn)生一定的塑性變形，實(shí)時(shí)對(duì)金屬裂紋尖端部位快速釋放能量所產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性波進(jìn)行拾取分析。目前在電磁激勵(lì)彈性波效應(yīng)取得了一定的進(jìn)展：使用脈沖電流、交變渦流等電磁載荷作用于微細(xì)裂紋并產(chǎn)生聲發(fā)射應(yīng)力波；高頻渦流加載下閉合裂紋的非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)并伴隨非線性超聲的產(chǎn)生；電磁超聲信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)中電磁干擾的消除設(shè)計(jì)等[1-3]。

本文針對(duì)電磁聲發(fā)射微觀機(jī)制及微弱聲信號(hào)特征分析等亟須解決的問(wèn)題，采用電致塑性及自由電子運(yùn)動(dòng)理論深入分析EMAE機(jī)理，通過(guò)希爾伯特黃變換分析其非線性、非平穩(wěn)聲發(fā)射信號(hào)等微弱信號(hào)特征，為實(shí)現(xiàn)電磁聲發(fā)射技術(shù)定量分析及工程探傷應(yīng)用提供重要的理論及實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 電磁聲發(fā)射機(jī)理

1.1 渦流加載電磁聲發(fā)射特性

渦流的引入是電磁聲發(fā)射過(guò)程的先決條件，給金屬材料施加一定條件的電磁激勵(lì)，將對(duì)其流變應(yīng)力、延伸率、應(yīng)力松弛、蠕變、裂紋和疲勞產(chǎn)生一定的影響，并促使更多位錯(cuò)出現(xiàn)脫釘、運(yùn)動(dòng)及湮滅等現(xiàn)象[4-7]。

1.1.1 渦流加載特性

瞬時(shí)高密度電流作為一種附加能量的注入對(duì)原子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響，促進(jìn)原子的擴(kuò)散能力，推動(dòng)位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)（滑移、攀移）。這與金屬的變形機(jī)制有著密切的聯(lián)系。

高密度電流將增強(qiáng)單位體積自由電子運(yùn)動(dòng)動(dòng)能，從而促使自由電子與其他粒子不規(guī)則的碰撞并實(shí)現(xiàn)能量傳遞，進(jìn)而將產(chǎn)生一系列的位錯(cuò)及增殖[5]，美國(guó)學(xué)者H. Conrad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)作用定義為電子風(fēng)力，并將該過(guò)程用于解釋電致塑性及電致成型加工技術(shù)[8-10]。電子風(fēng)力σew為

式中，σew為單位位錯(cuò)長(zhǎng)度下的電子風(fēng)力；ξew為電子風(fēng)力系數(shù)，由材料的導(dǎo)電特性決定；J為引入的外加電流密度。式（1）表明電子風(fēng)力與電流密度成正比關(guān)系。

除了電子風(fēng)力，實(shí)際上電流激勵(lì)的引入還包括多物理場(chǎng)問(wèn)題：電磁、結(jié)構(gòu)和溫度之間能量會(huì)發(fā)生相互轉(zhuǎn)化[11]，該過(guò)程將額外引入包括熱效應(yīng)在內(nèi)的諸多附加因素。由于電磁聲發(fā)射激勵(lì)過(guò)程所通過(guò)的電流時(shí)間約為100μs，因溫度場(chǎng)引發(fā)的熱壓力遠(yuǎn)小于電子風(fēng)力，可忽略該過(guò)程的附加效應(yīng)，微觀動(dòng)應(yīng)力以電子風(fēng)力為主。

一般情況下，材料的塑性應(yīng)變率可表示為

式中，b為伯格矢量的模；為指前因子；σ*為有效應(yīng)力；σ為流變應(yīng)力；A*為激活面積，指在單位時(shí)間內(nèi)位錯(cuò)線依靠載荷激活越過(guò)障礙所掃過(guò)的面積；ΔH0為激活能。當(dāng)通以電流載荷時(shí)，、、σ*、A*和ΔH0將發(fā)生改變。進(jìn)一步可得經(jīng)過(guò)電流加載后塑性應(yīng)變率ε˙e為[12-14]

式中，下標(biāo)e表示加載電流載荷之后的變量。

結(jié)合式（2）、式（3）可得

假定殘余應(yīng)力σ*在極小范圍內(nèi)變動(dòng)，同時(shí)引入激活能函數(shù)ΔH(σ*)，ΔH(σ*)=ΔH0*-v*σ*，其由激活能、殘余應(yīng)力及激活量v*（v*=kT/(σm)）等受電磁載荷影響的變量組成，m為流變應(yīng)力對(duì)應(yīng)變速率敏感系數(shù)。電磁加載后，ΔHe(σ*)=ΔH*0e-v*e(σ*+σew)，將激活能函數(shù)代入式（4），可得

式中，m*為位錯(cuò)滑移速率對(duì)應(yīng)力的敏感系數(shù)。

1.1.2 聲發(fā)射應(yīng)力波釋放

表征材料屈服特性的流變應(yīng)力可表示為[15]

式中，K為強(qiáng)度系數(shù)；n為應(yīng)變硬化指數(shù)。上述方程由Fields-Backofen提出，適用于絕大部分金屬材料。由文獻(xiàn)[16]知，整體位錯(cuò)密度ρ與流變應(yīng)力的關(guān)系式為[16]

式中，km=μb/(2παs)，μ為剪切模量，對(duì)于螺旋位錯(cuò)αs=1，刃形位錯(cuò)αs=1-ν，ν為泊松比。聯(lián)立式（6）和式（7）可得ρ與ε、ε˙之間的關(guān)系為

伴隨電流激活情況，可動(dòng)位錯(cuò)密度ρm與整體位錯(cuò)密度比值系數(shù)γm將增加，進(jìn)而可求得可動(dòng)位錯(cuò)密度與ε、之間的關(guān)系為

聲發(fā)射過(guò)程中能量的釋放是通過(guò)可動(dòng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的，單位體積中單位位錯(cuò)密度運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的瞬時(shí)能量為

式中，產(chǎn)生聲發(fā)射效應(yīng)的應(yīng)力σe以電子風(fēng)力為主，在不同構(gòu)件加載過(guò)程中，σe將包含構(gòu)件中的殘余應(yīng)力?？紤]到電流加載的瞬時(shí)突發(fā)性，在電流持續(xù)過(guò)程中近似將位錯(cuò)速度ve保持恒定。因此，可動(dòng)螺旋位錯(cuò)、刃形位錯(cuò)產(chǎn)生的金屬聲發(fā)射過(guò)程釋放的總能量分別為

其中

式中，ct為金屬材料中的橫波波速；cl為金屬材料中的縱波波速；Se為電流與位錯(cuò)作用的有效面積；δ為趨膚深度。該能量輻射過(guò)程始于位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的起始時(shí)刻t1（并非電流激勵(lì)的瞬間時(shí)刻），結(jié)束于電流加載峰值時(shí)刻t2（基于聲發(fā)射凱瑟效應(yīng)）。

聯(lián)立式（9）、式（11）和式（12）可看出，大量定向移動(dòng)的自由電子運(yùn)動(dòng)克服位錯(cuò)間的勢(shì)壘過(guò)程，釋放一定的能量并伴隨聲發(fā)射應(yīng)力波的產(chǎn)生。該過(guò)程主要受電流密度的影響，隨著電流密度的增大，該過(guò)程效應(yīng)逐漸增強(qiáng)。此外，電磁聲發(fā)射的產(chǎn)生還與電流路徑、位錯(cuò)重疊情況及趨膚深度等因素有關(guān)。

電磁聲發(fā)射檢測(cè)原理如圖1所示。通常情況下，裂紋尖端位錯(cuò)密度顯著，同時(shí)，流經(jīng)尖端的電流也將重新分配在邊界處呈現(xiàn)出顯著的集中效應(yīng)。同等條件下，裂紋尖端比其他區(qū)域更易產(chǎn)生聲發(fā)射效應(yīng)，因此電磁聲發(fā)射信號(hào)主要依賴于材料已有的位錯(cuò)。

圖1 電磁聲發(fā)射檢測(cè)原理Fig.1 Principle of electromagnetic acoustic emission detection

1.2 磁場(chǎng)電磁聲發(fā)射特性

對(duì)于引入的磁場(chǎng)，可在晶體中周期場(chǎng)的本征態(tài)基礎(chǔ)上進(jìn)一步討論。通常有兩種方法進(jìn)行演算，即求解含有外加勢(shì)場(chǎng)的波動(dòng)方程或把自由電子運(yùn)動(dòng)近似當(dāng)作經(jīng)典粒子來(lái)處理。由于電磁聲發(fā)射過(guò)程中外加磁場(chǎng)為勻強(qiáng)磁場(chǎng)，可選擇經(jīng)典粒子方式處理。

定向移動(dòng)的自由電子與其他粒子碰撞過(guò)程中伴隨散射。所獲得的場(chǎng)能及時(shí)與碰撞的原子交換，即在導(dǎo)體內(nèi)受電場(chǎng)力作用的自由電子雖保持定向移動(dòng)但不會(huì)保持加速，這與傳統(tǒng)真空環(huán)境下研究電子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律有所區(qū)別。固定方向電場(chǎng)促使導(dǎo)體中電子以定向穩(wěn)定速度前進(jìn)。當(dāng)再引入勻強(qiáng)磁場(chǎng)，可把問(wèn)題簡(jiǎn)化為勻速帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況。

當(dāng)電子的平均速度與磁場(chǎng)方向成任意角度時(shí)，該速度可分解為平行于磁場(chǎng)方向速度徑向分量及垂直于磁場(chǎng)方向的速度軸向分量。徑向速度使電子作圓周運(yùn)動(dòng)，而軸向分量使電子平移。在兩個(gè)速度分量的綜合作用下，電子將按螺旋形軌跡前進(jìn)。預(yù)設(shè)漂移電子的速度方向與磁場(chǎng)方向夾角為θ，粒子作螺旋形軌跡運(yùn)動(dòng)的半徑為

式中，me為電子質(zhì)量；ve為電子速度；e為電荷量；B為磁場(chǎng)強(qiáng)度。

自由電子所做螺旋形軌跡的螺間距為

圖2是不同磁場(chǎng)方向下的自由電子軌跡。假定自由電子運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閤方向，施加不同方向的磁場(chǎng)（箭頭方向表示），將直接影響電子螺旋形運(yùn)動(dòng)的半徑及螺間距。因此，磁場(chǎng)的加載情況將影響自由電子與運(yùn)動(dòng)軌跡上障礙勢(shì)壘的碰撞過(guò)程。

圖2 不同磁場(chǎng)方向下的自由電子軌跡Fig.2 Electron trajectories under different directional magnetic field

由于運(yùn)動(dòng)軌跡的變化直接影響自由電子與位錯(cuò)之間的碰撞過(guò)程，式（1）中電子風(fēng)力在實(shí)際作用過(guò)程需考慮伯格矢量與電子運(yùn)動(dòng)矢量的相對(duì)角度，基于虛功原理，僅當(dāng)兩者存在一定角度時(shí)（非直角）才存在有效作用。因此，該過(guò)程使得電致塑性中所傳遞能量產(chǎn)生差異，從而影響聲發(fā)射應(yīng)力波的釋放。

2 電磁聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)兩種電磁聲發(fā)射激勵(lì)探頭：其中一種為提供垂直靜磁場(chǎng)的矩形永磁體及螺旋線圈，另一種為提供平行靜磁場(chǎng)的U形永磁體及螺旋線圈。試件為0.3m×0.06m×0.001 3m的3A21薄型鋁板。其中，薄板邊緣通過(guò)線切割制作3mm預(yù)制裂紋，并采用高頻疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)在5kN、77.7Hz交變載荷條件下經(jīng)17 500次循環(huán)周期制作成長(zhǎng)約2.45mm的疲勞拉伸裂紋。

激發(fā)系統(tǒng)采用RITEC公司RPR-4000功放、高頻阻抗匹配激勵(lì)及電磁聲發(fā)射換能器。采集系統(tǒng)采用美國(guó)物理聲學(xué)公司PCI-2采集卡、寬頻（0～1MHz）WSA壓電傳感器。電磁聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。傳統(tǒng)薄鋁板聲發(fā)射頻帶在0～600kHz之間，為區(qū)分電磁加載過(guò)程中產(chǎn)生的超聲彈性波，通過(guò)施加（＞600kHz）激勵(lì)電流，并設(shè)定接收系統(tǒng)模擬濾波器為0～600kHz，以確保僅接收聲發(fā)射信號(hào)。

圖3 電磁聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 High-current pulse of EMAE experiment system

電磁聲發(fā)射螺旋狀激勵(lì)線圈采用柔性印制電路板制備，EMAE探頭激勵(lì)示意圖如圖4所示。螺旋激勵(lì)線圈產(chǎn)生的渦流場(chǎng)分布均勻且不受裂紋指向的影響，更易在裂紋尖端產(chǎn)生電流集中現(xiàn)象。分別采用U形永磁體提供水平方向的磁場(chǎng)，如圖4a所示；矩形狀磁體提供垂直方向的磁場(chǎng)，如圖4b所示；而無(wú)外加磁場(chǎng)作用，僅剩螺旋線圈交變磁場(chǎng)作用如圖4c所示。

圖4 EMAE探頭激勵(lì)示意圖Fig.4 Schematic diagrams of EMAE transducer

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 渦流加載條件

實(shí)驗(yàn)加載電流頻率范圍為700kHz～1MHz，步長(zhǎng)為50kHz，電流幅值范圍為10～80A，步長(zhǎng)為10A。對(duì)比分析不同磁場(chǎng)加載條件下的聲發(fā)射情況。利用聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)進(jìn)行與加載條件的聯(lián)立分析，選用能反映聲發(fā)射相對(duì)能量和強(qiáng)度的能量計(jì)數(shù)，兩者關(guān)系如圖5～圖7所示。

圖5為交變磁場(chǎng)加載EMAE能量計(jì)數(shù)，該過(guò)程僅有正弦電流激勵(lì)，無(wú)外加靜磁場(chǎng)影響，聲發(fā)射能量計(jì)數(shù)隨電流的增大呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)。在相同電流加載條件下隨著頻率的增大，對(duì)應(yīng)的渦流分布更集中，因此，趨膚深度上層自由電子內(nèi)越過(guò)單向障礙勢(shì)壘的幾率更大。而同樣激勵(lì)幅值的低頻載荷，由于渦流相比更為分散，其單向越過(guò)障礙勢(shì)壘的幾率更小且產(chǎn)生的聲發(fā)射效應(yīng)無(wú)前者顯著。

圖5 交變磁場(chǎng)加載EMAE能量計(jì)數(shù)Fig.5 Energy count of EMAE signal under alternating magnetic field

圖6、圖7分別為垂直和水平靜磁場(chǎng)加載EMAE能量計(jì)數(shù)，可見(jiàn)電流幅值與能量計(jì)數(shù)成正比。與交變磁場(chǎng)加載相比，垂直磁場(chǎng)加載使自由電子在整個(gè)趨膚深度內(nèi)螺旋運(yùn)動(dòng)，趨膚深度越深將有助于增強(qiáng)電子與趨膚深度內(nèi)障礙勢(shì)壘的碰撞，產(chǎn)生的能量計(jì)數(shù)可彌補(bǔ)電流密度分散導(dǎo)致的單向越過(guò)障礙勢(shì)壘幾率的減小。因此，垂直磁場(chǎng)加載時(shí)，電磁聲發(fā)射能量計(jì)數(shù)在低頻下產(chǎn)生的能量更高。

水平磁場(chǎng)加載時(shí)，由于磁場(chǎng)方向與裂紋指向垂直，因此裂紋尖端兩側(cè)的電流與水平靜磁場(chǎng)方向垂直，該區(qū)域電子將作螺旋運(yùn)動(dòng)。而裂紋尖端處產(chǎn)生的繞流方向?qū)⒂谒届o磁場(chǎng)方向保持一致，即在該處電子移動(dòng)將不受影響。因此，水平磁場(chǎng)加載綜合匯聚了交變磁場(chǎng)及垂直磁場(chǎng)加載下EMAE能量計(jì)數(shù)的特點(diǎn)，其將不受電流頻率加載的影響。

圖6 垂直磁場(chǎng)加載EMAE能量計(jì)數(shù)Fig.6 Energy count of EMAE signal under vertical magnetic field

圖7 水平磁場(chǎng)加載EMAE能量計(jì)數(shù)Fig.7 Energy count of EMAE signal under horizontal magnetic field

3.2 電磁聲發(fā)射信號(hào)時(shí)域分析

希爾伯特黃變換（Hilbert-Huang Transform, HHT）適于非線性、非平穩(wěn)瞬態(tài)電磁聲發(fā)射信號(hào)的時(shí)頻分析，增強(qiáng)時(shí)頻集聚性、降低頻譜能量泄漏的同時(shí)提高了時(shí)頻分辨率。HHT方法首先對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?，進(jìn)而將信號(hào)表示為有限個(gè)本征模態(tài)函數(shù)及一個(gè)殘余分量，最后通過(guò)HHT對(duì)各分解進(jìn)行瞬態(tài)頻率的求解。

運(yùn)用HHT對(duì)同電流、不同方向磁場(chǎng)加載條件下電磁聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析，信號(hào)中95%以上的能量集中于本征模態(tài)函數(shù)（Intrinsic Mode Function, IMF）IMF1～I(xiàn)MF5分量，所以著重考察該5個(gè)分量。實(shí)驗(yàn)不同磁場(chǎng)加載下，電磁聲發(fā)射信號(hào)前5個(gè)IMF分量能量比值對(duì)比，如圖8所示。不同磁場(chǎng)加載下IMF分量的能量比值差異顯著，尤其是中心頻段為220kHz的IMF1分量與中心頻段為100kHz的IMF3分量最顯著。

圖8 不同磁場(chǎng)加載下IMF1～I(xiàn)MF5分量的能量比值Fig.8 Energy percentage of IMF1～I(xiàn)MF5components under different magnetic field

磁場(chǎng)加載方向除影響主頻段分量的能量外，還影響低頻段能量分布。以頻段在5～50kHz范圍內(nèi)IMF5分量為例，IMF5分量HHT時(shí)域圖如圖9所示。從圖9中可以看出，電子與低頻段勢(shì)壘碰撞的聲響應(yīng)瞬時(shí)頻率在時(shí)間軸上離散顯著，呈現(xiàn)出特征勢(shì)壘被作用下頻率能譜分散特點(diǎn)，因此其并不具有彈性波時(shí)頻圖中瞬時(shí)頻率保持連續(xù)的特點(diǎn)；所克服勢(shì)壘瞬時(shí)頻率都主要集中在0～1ms范圍內(nèi)，符合鋁制試件突發(fā)性聲發(fā)射信號(hào)持續(xù)時(shí)間特征；不同的電磁加載其瞬時(shí)頻譜有較大的區(qū)別，環(huán)境磁場(chǎng)作為唯一變量，影響自由電子運(yùn)動(dòng)軌跡并改變其與障礙勢(shì)壘碰撞作用，克服障礙勢(shì)壘所釋放的能量將發(fā)生一定的改變。據(jù)此進(jìn)一步說(shuō)明電磁聲發(fā)射能量、信號(hào)特征與磁場(chǎng)加載條件密切相關(guān)。

圖9 IMF5分量HHT時(shí)域圖Fig.9 Waves in time domain of IMF5using HHT algorithm

4 結(jié)論

本文分析了電磁聲發(fā)射的產(chǎn)生機(jī)制，通過(guò)位錯(cuò)滑移動(dòng)力學(xué)推導(dǎo)出考慮金屬電子風(fēng)力效應(yīng)的位錯(cuò)滑移速率及能量釋放方程，基于自由電子理論探究了磁場(chǎng)方向?qū)τ陔姶怕暟l(fā)射能量的影響，從電致塑性、塑性能量釋放、磁致軌跡等分析電磁載荷下聲發(fā)射應(yīng)力波釋放情況，并利用希爾伯特黃方法對(duì)不同電磁載荷聲發(fā)射信號(hào)特征進(jìn)行分析。主要結(jié)論如下：

1）渦流式電磁聲發(fā)射是由注入了改變金屬構(gòu)件塑性應(yīng)變率的電磁能，產(chǎn)生了電子風(fēng)力，進(jìn)而增強(qiáng)可動(dòng)位錯(cuò)數(shù)量，實(shí)現(xiàn)自由電子下位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)并伴隨能量釋放，進(jìn)而以聲發(fā)射聲波響應(yīng)效應(yīng)完成能量分配的過(guò)程。

2）不同方向磁場(chǎng)主導(dǎo)著自由電子的定向移動(dòng)，改變大量漂移電子推動(dòng)已有位錯(cuò)越過(guò)障礙勢(shì)壘的方向，從而產(chǎn)生不同的聲響應(yīng)效應(yīng)。

3）定向漂移電子與位錯(cuò)之間的能量轉(zhuǎn)換是產(chǎn)生電磁聲發(fā)射效應(yīng)的必要條件，可通過(guò)HHT方式對(duì)電磁聲發(fā)射微小信號(hào)進(jìn)行提取分析，磁場(chǎng)載荷還影響聲發(fā)射的時(shí)頻特征。后續(xù)工作是利用該方法與機(jī)理模型結(jié)合以實(shí)現(xiàn)裂紋指向性評(píng)價(jià)。

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Acoustic Response Characteristics of Acoustic Emission Induced by Eddy Current Exciting

Cai Zhichao1Liu Suzhen1Zhang Chuang1Yang Qingxin1,2
（1. Province-Ministry Joint Key Laboratory of Electromagnetic Field and Electrical Apparatus Reliability Hebei University of Technology Tianjin 300130 China 2. Key Laboratory of Advanced Electrical Engineering and Energy Technology Tianjin Polytechnic University Tianjin 300387 China）

Due to the contactless local loading of electromagnectic acoustic emission, this paper provides a method for the damage online inspection under severe working conditions, which is a beneficial supplement of traditional acoustic emission technology. This paper studies the acoustic response characteristics arising from electromagnetic acoustic emission under various electromagnetic loads. According to the electroplastic theory and free-electron theory, the mechanism of acoustic emission energy release and the rate variations of the crack tip dislocation slip are analyzed. Thus, the various acosutic responses of the electronic directional movement under different magnetic field directions can be obtained. The electromagnetic acoustic emission signal analysis based on Hilbert-Huang transform (HHT) is an effective tool to extract the features. The experimental results show the stress wave characteristics are closely related to electromagnetic loading. Therefore, this process is the specific acoustic response between the directional mobile electronic and obstacle barrier.

Electromagnetically induced acoustic emission, electroplastic, free-electron theory, Hilbert-Huang transform

TM153

蔡智超 男，1989年生，博士，研究方向?yàn)殡姶艧o(wú)損檢測(cè)技術(shù)。

E-mail: czchebut@foxmail.com

劉素貞 女，1969年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楣こ屉姶艌?chǎng)與磁技術(shù)。

E-mail: szliu@hebut.edu.cn（通信作者）

國(guó)家自然科學(xué)基金（51307043），河北省自然科學(xué)基金（E2016202260）和天津市自然科學(xué)基金（16JCYBJC19000）資助項(xiàng)目。

2015-07-30 改稿日期 2016-01-23