施加水平磁場(chǎng)下電磁聲發(fā)射與裂紋指向特征分析

蔡智超，劉素貞，張 闖，張嚴(yán)偉，楊慶新,3

(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;3.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)

施加水平磁場(chǎng)下電磁聲發(fā)射與裂紋指向特征分析

蔡智超1，劉素貞2，張 闖2，張嚴(yán)偉2，楊慶新2,3

(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;3.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)

聲發(fā)射檢測(cè)方法對(duì)金屬構(gòu)件進(jìn)行健康檢測(cè)的關(guān)鍵問題：通過合適的載荷使得構(gòu)件產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)?，F(xiàn)階段大部分聲發(fā)射檢測(cè)均采用接觸式離線加載，聲發(fā)射檢測(cè)采用可在線檢測(cè)的非接觸式電磁加載。從電致位錯(cuò)、自由電子運(yùn)動(dòng)理論出發(fā)，在微觀層面探究電磁聲發(fā)射的機(jī)理特征；研究靜磁場(chǎng)與渦流分布作用下電磁聲發(fā)射特征差異；基于聲發(fā)射信號(hào)的非平穩(wěn)特征，利用希爾伯特黃變換方法分析電磁聲發(fā)射特征。通過改變水平磁場(chǎng)激勵(lì)方向，實(shí)現(xiàn)本征模態(tài)函數(shù)的能量比值、互相關(guān)系數(shù)、特征本征模態(tài)函數(shù)時(shí)頻圖與裂紋指向特征之間的關(guān)系聯(lián)立。

電磁聲發(fā)射；水平磁場(chǎng)；希爾伯特黃變換；裂紋指向性

目前，聲發(fā)射作為一種動(dòng)態(tài)無損檢測(cè)方式對(duì)金屬構(gòu)件的在線監(jiān)測(cè)、活性缺陷區(qū)域適時(shí)判斷已在工程應(yīng)用上取得了廣闊的進(jìn)步。并在聲波傳感技術(shù)、遠(yuǎn)距離信號(hào)采集等硬件設(shè)備的研制、材料聲發(fā)射特性及非平穩(wěn)大數(shù)據(jù)量信號(hào)處理、橋梁葉片等大型工程結(jié)構(gòu)的健康應(yīng)用診斷、新型聲發(fā)射技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究等諸多方面深入發(fā)展并彰顯良好的應(yīng)用前景[1]。

電磁聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)通過在金屬材料中的缺陷處引入電磁激勵(lì)并釋放能夠反映缺陷信息的一定能量的瞬態(tài)應(yīng)力波[2-4]，所引入電磁加載的方式常見有接觸式直接大電流加載、非接觸式渦流加載，其目的是為了能夠在缺陷尖端處產(chǎn)生電流集中進(jìn)而將產(chǎn)生更為強(qiáng)的電磁式加載效應(yīng)。并實(shí)現(xiàn)在板狀金屬構(gòu)件與管狀金屬構(gòu)件中裂紋檢測(cè)的可行性，該技術(shù)兼顧聲發(fā)射對(duì)動(dòng)態(tài)裂紋檢測(cè)效率以及電磁無損檢測(cè)的非接觸、無需耦合劑、惡劣環(huán)境下局部加載等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[4-5]。

然而電磁聲發(fā)射理論及機(jī)理研究仍不夠系統(tǒng)：電磁加載過程中電場(chǎng)和磁場(chǎng)兩者如何聯(lián)立作用并產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，電磁聲發(fā)射信號(hào)與普通電磁加載彈性波有何本質(zhì)區(qū)別，如何利用電磁聲發(fā)射固有特點(diǎn)探究裂紋深層次特性，這依然是制約其工程應(yīng)用的瓶頸。本文搭建基于位錯(cuò)動(dòng)力學(xué)的電磁聲發(fā)射模型，闡述電磁載荷下漂移電子的定向流動(dòng)與位錯(cuò)之間能量轉(zhuǎn)換是產(chǎn)生電磁聲發(fā)射的主要原因。

考慮到致使工程構(gòu)件失效重要原因眾多，其中包括動(dòng)態(tài)特征——“裂紋的指向特性”。如對(duì)其能有效的檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中對(duì)裂紋生長(zhǎng)的定量損傷評(píng)估，因此對(duì)于裂紋指向特性檢測(cè)也尤為顯得重要。本文通過電磁聲發(fā)射對(duì)裂紋指向性檢測(cè)進(jìn)行探索，利用希爾伯特黃變換方法應(yīng)用于不同裂紋指向的電磁聲發(fā)射信號(hào)特征提取與分析。結(jié)果表明水平磁場(chǎng)激勵(lì)下電磁超聲信號(hào)能夠反映裂紋指向特征。

1 電場(chǎng)在電磁聲發(fā)射過程中的效應(yīng)分析

電流的引入是電磁聲發(fā)射過程的先決條件，當(dāng)給金屬材料施加一定條件的強(qiáng)渦流激勵(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。

2.1.1 電流加載特性

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)將產(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。

高密度電流不僅增強(qiáng)自由電子的運(yùn)動(dòng)，其高速運(yùn)動(dòng)還將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，產(chǎn)生位錯(cuò)增殖等現(xiàn)象，CONRAD等[5-6]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，并將該過程運(yùn)用于解釋電致塑性及電致成型加工技術(shù)并取得廣泛認(rèn)可：

σew=ξewJ

(1)

式中：σew為單位位錯(cuò)長(zhǎng)度下的電子風(fēng)力值；ξew為電子風(fēng)力的系數(shù)，該系數(shù)是由材料的導(dǎo)電特性所決定的;J為引入的外加電流密度。式(1)表明電子風(fēng)力與電流密度呈正比關(guān)系。

電流激勵(lì)除了引入電子風(fēng)力，實(shí)際上還包含多物理場(chǎng)問題：電磁、結(jié)構(gòu)、溫度之間能量會(huì)發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，該過程將會(huì)引入包括熱效應(yīng)在內(nèi)的諸多附加作用。由于電磁聲發(fā)射激勵(lì)過程所通過的電流時(shí)間約為100 μm，因溫度場(chǎng)引發(fā)的熱壓力遠(yuǎn)小于電子風(fēng)力，因此可忽略該過程的附加效應(yīng)，微觀動(dòng)應(yīng)力將主要以電子風(fēng)力為主。

一般情況下，材料的塑性應(yīng)變率[6-7]可表示為

(2)

(3)

結(jié)合式(2)、式(3)可得：

(4)

(5)

2.1.2 聲發(fā)射應(yīng)力波釋放

表征材料屈服特性的流變應(yīng)力可以表示為[8]：

(6)

式中:K為強(qiáng)度系數(shù);n為應(yīng)變硬化指數(shù)，上述方程是由Fields-Backofen提出，適用于絕大部分金屬材料。聯(lián)立整體位錯(cuò)密度ρ與流變應(yīng)力的關(guān)系式[9]：

σ=kmρ0.5

(7)

(8)

(9)

(10)

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)件加載過程中σe會(huì)包含構(gòu)件中的殘余應(yīng)力，考慮到電流加載的瞬時(shí)突發(fā)性，在渦流持續(xù)過程內(nèi)近似假如將位錯(cuò)速度ve保持恒定?？蓜?dòng)位錯(cuò)在金屬聲發(fā)射過程所釋放的總能量為

對(duì)于螺旋位錯(cuò)：

(11)

對(duì)于刃型位錯(cuò)：

(12)

聯(lián)立式(9),(11)與(12)可以看出，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。該過程主要受電流密度值的影響，隨著電流密度值的增加，該過程效應(yīng)逐漸增強(qiáng)。此外，電磁聲發(fā)射產(chǎn)生還與電流路徑與位錯(cuò)重疊情況以及趨膚深度等其他因素有關(guān)。

金屬構(gòu)件存在損傷時(shí)，裂紋尖端處位錯(cuò)密度顯著，當(dāng)電磁聲發(fā)射換能器掃描至裂紋正上方時(shí)，流經(jīng)尖端的渦流也將重新分配并呈現(xiàn)渦流集中效應(yīng)。由于電磁聲發(fā)射過程主要依賴于材料已有位錯(cuò)與作用的電磁激勵(lì)，因此裂紋尖端比其他區(qū)域更易產(chǎn)生聲發(fā)射效應(yīng)。

2 磁場(chǎng)在電磁聲發(fā)射過程中的效應(yīng)分析

外加的電磁場(chǎng)總比晶體自身周期場(chǎng)弱得多，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)上討論。通常有兩種方法進(jìn)行分析：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)典粒子來處理。由于電磁聲發(fā)射過程中外加磁場(chǎng)為勻強(qiáng)磁場(chǎng)，可通過經(jīng)典粒子動(dòng)力學(xué)方式進(jìn)行處理。

在電場(chǎng)載荷下自由電子移動(dòng)過程將伴隨著不停散射，所獲得的場(chǎng)能及時(shí)地與所碰撞的原子進(jìn)行交換，即在導(dǎo)體內(nèi)受到電場(chǎng)力的作用，移動(dòng)電子并不會(huì)加速運(yùn)動(dòng)。這與傳統(tǒng)研究電子在真空環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是有區(qū)別的。導(dǎo)體中電場(chǎng)的存在僅為電子提供了一個(gè)定向穩(wěn)定速度而非連續(xù)不斷的電場(chǎng)力。若同時(shí)施加一個(gè)勻強(qiáng)磁場(chǎng)，可把問題簡(jiǎn)化描述為勻速帶電粒子在勻強(qiáng)磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)情況，即金屬材料霍爾效應(yīng)：

(1) 當(dāng)電子的初速度方向與磁感應(yīng)線平行，那么電子受到的作用力為零，粒子做勻速直線運(yùn)動(dòng)。

(2) 當(dāng)電子的初速度方向與磁感應(yīng)線垂直，由于粒子受到的作用力與速度方向垂直，這也表明電場(chǎng)不影響電子運(yùn)動(dòng)速度的大小。均勻磁場(chǎng)與運(yùn)動(dòng)電子產(chǎn)生的洛倫茲力卻時(shí)刻改變著電子運(yùn)動(dòng)的方向，電子將垂直于磁感應(yīng)強(qiáng)度的平面上做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。

(3) 當(dāng)電子的初速度與磁場(chǎng)方向成任意角度，該速度可以分解為平行于磁場(chǎng)方向的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，二者的綜合作用是使電子按螺型軌跡前進(jìn)。徑向速度大的電子，其螺型軌道的直徑變大，而徑向速度小的電子，螺型直徑變小。

預(yù)設(shè)含電荷為e、重量為me的漂移電子速度ve方向與磁場(chǎng)B方向間有θ夾角，粒子做螺型運(yùn)動(dòng)的半徑Re為

(13)

自由電子所做螺型運(yùn)動(dòng)的螺間距hθ為

(14)

假定自由電子運(yùn)動(dòng)方向?yàn)閄方向，圖1所示：準(zhǔn)垂直磁場(chǎng)方向的不同(大箭頭方向表示，即在Z0X平面)將直接影響到自由電子螺型運(yùn)動(dòng)的半徑及螺間距大小，運(yùn)動(dòng)軌跡將直接影響到自由電子與位錯(cuò)之間碰撞。圖2表征水平磁場(chǎng)方向?qū)ψ杂呻娮舆\(yùn)動(dòng)的影響，值得注意的是水平磁場(chǎng)方向如在Y軸方向附近稍微偏轉(zhuǎn)如圖2(a)所示，漂移電子運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的螺旋軌跡發(fā)生明顯不同，由于所施加的水平磁場(chǎng)大小保持不變，從圖2(b)～(e)中可看出電子螺旋運(yùn)動(dòng)的半徑及螺間距保持一致。對(duì)比圖2(b)、(c)所示，其切向速度方向保持不變，螺線軸向速度方向運(yùn)動(dòng)相反，對(duì)比圖2(b)、(d)所示，其切向速度方向相反，螺線軸向速度方向保持不變，即水平磁場(chǎng)X軸分量影響電子螺線軸向運(yùn)動(dòng)，水平磁場(chǎng)Y軸分量影響電子切向運(yùn)動(dòng)。

(a) θ=45°

(b) θ=60°

(c) θ=75°

Fig.1 The electron trajectories under different quasi-vertical directional magnetic field

(a) 水平磁場(chǎng)方向示意圖

(b) 水平磁場(chǎng)0A方向示意圖

(c) 水平磁場(chǎng)0B方向示意圖

(d) 水平磁場(chǎng)0C方向示意圖

(e) 水平磁場(chǎng)0D方向示意圖

Fig.2 The electron trajectories under different horizontal directional magnetic field

綜上分析可知，施加平行于試件表面的水平磁場(chǎng)，可靈活控制漂移電子的徑向運(yùn)動(dòng)、切向運(yùn)動(dòng)以及螺旋軸向運(yùn)動(dòng)。漂移電子運(yùn)動(dòng)范圍覆蓋了整個(gè)XOY平面，施加水平磁場(chǎng)相比施加準(zhǔn)垂直磁場(chǎng)更易控制、操作。

3 水平磁場(chǎng)作用下電磁聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

電磁聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖3所示：美國Ritec5000提供的高頻高功率激勵(lì)作用于電磁聲發(fā)射(EMAE)換能器，引入阻抗匹配實(shí)現(xiàn)較高功率的傳輸，當(dāng)EMAE換能器掃描至裂紋尖端，高頻渦流的趨膚效應(yīng)、裂紋處電流集中效應(yīng)使得裂紋尖端的渦流密度比其他區(qū)域上升多個(gè)數(shù)量級(jí)，與尖端數(shù)量顯著的位錯(cuò)相互作用產(chǎn)生聲發(fā)射應(yīng)力波，接收端采用寬頻WSA型(0～1 MHz)壓電換能器，信號(hào)經(jīng)過40 dB放大進(jìn)入PCI-2聲發(fā)射采集系統(tǒng)上位機(jī)顯示、存儲(chǔ)。

聲發(fā)射信號(hào)采集系統(tǒng)設(shè)定模擬濾波器為0～600 kHz以消除過濾高頻激勵(lì)產(chǎn)生的電磁超聲信號(hào)、采樣率為5 MHz、閾值去噪門檻為45 dB。由于電磁聲發(fā)射是自由電子推動(dòng)金屬構(gòu)件中已有位錯(cuò)的結(jié)果，其傳遞出來為結(jié)構(gòu)損傷信息，薄鋁板電磁聲發(fā)射信號(hào)頻帶為0～600 kHz。這有別于電磁超聲換能過程中產(chǎn)生的彈性波信號(hào)，彈性波信號(hào)傳遞出來的為具有可重復(fù)性的電磁激勵(lì)信息。電磁加載過程當(dāng)中，不可避免將會(huì)產(chǎn)生彈性波，使用高頻渦流(>600 kHz)加載方式及低通濾波器的配合使用，從頻譜段實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種信號(hào)區(qū)分，因此激勵(lì)信號(hào)使用頻率為700 kHz、50 A的猝發(fā)式電流。

圖3 電磁聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)過程Fig.3 The EMAE experiment system

3.2 水平磁場(chǎng)激勵(lì)下電磁聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)

EMAE換能器由激勵(lì)線圈與提供靜磁場(chǎng)的永磁體組成，激勵(lì)線圈采用圓形螺旋狀并使用柔性印刷電路板制備，如圖4所示。EMAE換能器在試件表面提供的渦流均勻分布且不易受裂紋指向性影響，永磁體采用高磁能積釹鐵硼制備的馬蹄形磁體，提供穩(wěn)定水平方向高磁感應(yīng)強(qiáng)度的靜磁場(chǎng)，圖中由N、S表示磁極，B指代水平磁場(chǎng)在平面上的靜磁場(chǎng)磁感應(yīng)線方向。本文針對(duì)6061鋁合金(0.5 m×0.2 m×0.001 3 m)預(yù)制拉伸裂紋進(jìn)行渦流加載電磁聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中通過改變馬蹄形與裂紋的相對(duì)位置，實(shí)現(xiàn)改變裂紋的相對(duì)指向。

圖4 EMAE換能器線圈示意圖Fig.4 The diagram of EMAE transducer

以試件邊界X方向?yàn)榛鶞?zhǔn)軸，α表示水平磁場(chǎng)方向與基準(zhǔn)軸夾角：當(dāng)α=0°表示水平磁場(chǎng)方向與裂紋指向夾角為90°，當(dāng)α=90°時(shí)水平磁場(chǎng)方向與裂紋指向保持一致。α至α′表示馬蹄形磁體旋轉(zhuǎn)方向且分別表示起始角與終止角，本文夾角α=0°至α′=180°，在保證施加電流激勵(lì)不變的情況下以30°為步長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)水平磁場(chǎng)方向與基準(zhǔn)夾角分別為0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°，共七組特征夾角下電磁聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 基于希爾伯特黃變換電磁聲發(fā)射信號(hào)分析

電磁聲發(fā)射信號(hào)為瞬態(tài)非線性、非平穩(wěn)信號(hào)，而且電磁聲發(fā)射信號(hào)特征的提取與時(shí)間分辨率關(guān)系密切，通過傳統(tǒng)時(shí)頻分析方法處理的頻譜能量較寬(頻譜能量易發(fā)生泄露)、時(shí)頻分辨率粗糙，進(jìn)而影響電磁聲發(fā)射信號(hào)特征提取、分析的可信度。

與以傅里葉變換為基礎(chǔ)的短時(shí)傅里葉變換(STFT)、小波變換(WT)、Wigner-Ville分布(WVD)等時(shí)頻分析方法相比，希爾伯特黃(Hilbert-Huang, HHT)變換方法可對(duì)非線性、非平穩(wěn)信號(hào)的局部時(shí)變特征進(jìn)行自適應(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[12]。

HHT方法首先對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｊ椒纸?EMD)，進(jìn)而將信號(hào)表示成有限個(gè)本征模態(tài)函數(shù)(IMF)以及一個(gè)殘余分量的形式，如圖5所示。再利用Hilbert變換對(duì)上述分量進(jìn)行時(shí)頻分析和瞬時(shí)頻率求解，如圖6所示：聲響應(yīng)瞬時(shí)頻率在時(shí)間軸上有較為顯著離散。實(shí)為電子與低頻段勢(shì)壘碰撞的呈現(xiàn)出頻率能譜分散等特征，同時(shí)也表明聲發(fā)射并不具有彈性波(超聲波)時(shí)頻圖中瞬時(shí)頻率保持連續(xù)等特點(diǎn)。

圖5 電磁聲發(fā)射原始波形及IMF時(shí)域圖

Fig.5 Original EMAE waveform and IMF time domain diagram.

而后通過Hilbert譜圖及Hilbert邊際譜對(duì)聲發(fā)射信號(hào)特征進(jìn)一步分析，IMF分量較好地表現(xiàn)了信號(hào)的時(shí)頻特性，電磁聲發(fā)射信號(hào)頻率主要集中于20 kHz與100 kHz兩個(gè)峰值，如圖7(a)所示。且低頻信號(hào)持續(xù)的時(shí)間比高頻信號(hào)持續(xù)更長(zhǎng)、能量更強(qiáng)。

圖6 電磁聲發(fā)射信號(hào)希爾伯特黃變換譜圖Fig.6 EMAE simulation signal analysis using HHT method.

圖7中對(duì)比電磁聲發(fā)射信號(hào)HHT變換計(jì)算后的邊際譜與快速傅里葉變換計(jì)算的幅頻圖，兩者具有相似的幅頻特性，然而HHT變換可以顯著突出邊際譜的精確程度，并且在邊際譜突出了各個(gè)IMF分量頻率特性。這也驗(yàn)證了利用HHT變換比FFT變換更優(yōu)的頻率分辨效率。

(a) 希爾伯特黃變換

(b) 快速傅里葉變換

4.1 水平磁場(chǎng)加載與裂紋指向特性關(guān)系分析

HHT由于結(jié)合了將時(shí)域信號(hào)按照頻率尺度分解的EMD算法，所以其原始信號(hào)的非線性、非平穩(wěn)等特點(diǎn)由不同特征的波動(dòng)尺度分解至各個(gè)IMF分量，進(jìn)而其所占的不同的平均能量，可由下式計(jì)算得出：

(15)

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

(16)

式中：Et表示IMF分量的總能量，即為各個(gè)Ei之和。進(jìn)一步求解可得信號(hào)中95%以上的能量集中于1～5 IMF分量，所以對(duì)這五個(gè)分量深入分析，實(shí)驗(yàn)對(duì)比不同水平磁場(chǎng)角度下電磁聲發(fā)射信號(hào)前5個(gè)IMF分量的能量比值，如圖8所示。

圖8 IMF1～5分量的能量比值與水平磁場(chǎng)激勵(lì)特性關(guān)系

Fig.8 The relationship between the energy percentage of IMF1～5 components and the exciting character of horizontal magnetic field.

由圖8可知，IMF4包含40%以上的信號(hào)能量，IMF1與IMF5能量所占比重一直維持在5%～15%之間波動(dòng)，且其在α=90°(水平磁場(chǎng)方向平行于裂紋指向)時(shí)能量比重占最大，而IMF3能量所占比重則在該點(diǎn)處最小，IMF1、IMF3、IMF5分別在α=0°～90°以及α=90°～180°成規(guī)律性變化。而IMF2與IMF4能量比值并無明顯的規(guī)律，然而在90°兩邊變化趨勢(shì)有所不同：在0～90°IMF2與IMF4變化趨勢(shì)顯著相反，而90°～180°IMF2與IMF4變化趨勢(shì)明顯相同，這也提供通過趨勢(shì)變化特點(diǎn)來確定缺陷的指向與水平磁場(chǎng)角度的關(guān)系，同樣在90°情況，IMF1～I(xiàn)MF5能量比值相對(duì)均勻，IMF1～I(xiàn)MF3、IMF5能量比值更為在16%～20%小范圍之間尤為接近。

依據(jù)IMF分量能量比值，進(jìn)一步對(duì)比分析各個(gè)IMF分量與電磁聲發(fā)射原始信號(hào)的互相關(guān)系數(shù)，計(jì)算所得前五個(gè)分量與原始信號(hào)的互相關(guān)系數(shù)都在0.1以上，而余下的分量其相關(guān)性低于0.1，可以劃分為沒有相關(guān)性之列，通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，高互相關(guān)性的IMF分量相對(duì)占據(jù)高能量比值。因此選擇前五個(gè)IMF分量進(jìn)行對(duì)比分析，如圖9所示。

圖9 IMF1～5分量的互相關(guān)系數(shù)與水平磁場(chǎng)激勵(lì)特性關(guān)系

Fig.9 The relationship between the cross-correlation coefficient of IMF1～5 components and the exciting character of horizontal magnetic field.

聯(lián)立圖8與圖9，說明能量比值與互相關(guān)性系數(shù)之間的正比對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)也相互應(yīng)照了前五個(gè)IMF分量的表征原始信號(hào)的能力。

相比其他IMF分量，IMF5分量的能量比在α=90°條件下值達(dá)到了最高，且α=0～90°、α=0～180°條件下能量比值分別具有一定的單調(diào)關(guān)系；同時(shí)IMF5分量在整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)其互相關(guān)系數(shù)變化最為顯著，這說明水平磁場(chǎng)角度的變化對(duì)低頻段分量影響最為強(qiáng)烈。因此選用IMF5分量來進(jìn)一步表征磁場(chǎng)與裂紋指向之間的關(guān)系，并對(duì)該分量進(jìn)行希爾伯特黃變換，如圖10所示。

由于渦流在裂紋尖端將會(huì)產(chǎn)生繞流，尖端處的電流將與裂紋指向保持垂直，當(dāng)裂紋與水平磁場(chǎng)夾角為90°時(shí)，如圖10(a)與(g)其IMF5分量集中于50 kHz～200 kHz，且其持續(xù)的時(shí)間一直貫穿于整個(gè)采集過程，這是由于該過程磁場(chǎng)加載方向與電場(chǎng)加載方向一致，即磁場(chǎng)不影響電子的定向流動(dòng)，僅有電流效應(yīng)作用于位錯(cuò)勢(shì)壘，傳遞出來的信號(hào)特征相對(duì)穩(wěn)定持續(xù)進(jìn)而產(chǎn)生的聲發(fā)射頻率特征在小范圍內(nèi)波動(dòng)。如圖10(b)、(c)、(e)、(f)所示，伴隨著磁場(chǎng)夾角發(fā)生改變，當(dāng)水平磁場(chǎng)與裂紋指向一致時(shí)，其頻譜波動(dòng)情況最為明顯IMF5分量集中于50 kHz～450 kHz，然而其持續(xù)時(shí)間以及瞬時(shí)頻率卻并不穩(wěn)定，這說明磁場(chǎng)影響了電子的運(yùn)動(dòng)軌跡，電流及磁場(chǎng)共同作用于位錯(cuò)勢(shì)壘，進(jìn)而其頻譜范圍發(fā)生了擴(kuò)展，流動(dòng)的漂移電子促使結(jié)構(gòu)內(nèi)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)撞擊發(fā)生改變，反饋出包含裂紋指向特性的聲發(fā)射信號(hào)。

(a)α=0° (b)α=30° (c)α=60°

(d)α=90° (e)α=120°

(f)α=150°(g)α=180°

圖10 IMF5分量的希爾伯特譜圖

Fig.10 The Hilbert spectrum of the fifth IMF component

5 結(jié) 論

(1) 電磁聲發(fā)射是由于自由電子移動(dòng)過程中促使流經(jīng)路徑中位錯(cuò)移動(dòng)，并以聲波能量的形式釋放出來的物理過程，其與電磁加載條件有一定的關(guān)系，借助電磁加載方式可還原金屬聲發(fā)射信號(hào)特征。

(2) 電磁聲發(fā)射信號(hào)為復(fù)雜的非線性、非平穩(wěn)信號(hào)，采用HHT變換方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁聲發(fā)射信號(hào)在更高時(shí)頻分辨率上的分析及評(píng)估，兼顧了可行性及高識(shí)別性。

(3) 利用水平磁場(chǎng)加載下電磁聲發(fā)射表現(xiàn)的微觀特性，結(jié)合IMF1～5分量的能量比值、相互關(guān)系數(shù)、IMF5分量的希爾伯特黃圖，進(jìn)一步闡明施加水平磁場(chǎng)角度的相對(duì)變化，將改變漂移電子運(yùn)動(dòng)過程中與位錯(cuò)勢(shì)壘作用情況，進(jìn)而影響電磁聲發(fā)射信號(hào)特征，利IMF能量比值、互相關(guān)系數(shù)、特征IMF分量時(shí)頻圖分析裂紋的指向特征是可行的。

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Characteristics analysis for EMAE and crack orientation under a horizontal magnetic field

CAI Zhichao1, LIU Suzhen2, ZHANG Chuang2, ZHANG Yanwei2, YANG Qingxin2,3

(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; 3.Key Laboratory of Advanced Electrical Engineering and Energy Technology, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China)

The key problem for the metallic structures’ health monitoring using the acoustic emission(AE) method is to establish a relationship between a suitable load and structures’ AE signals excited.But the current AE tests mostly use an offline loading on structures with the contact method.Here, an AE testing method using a contactless local electromagnetic online loading was proposed.Firstly, the mechanism of electromagnetically induced acoustic emission(EMAE) was studied at a microscopic level based on the electro induced dislocation and free electron movement theory.Secondly, the characteristic differences of EMAE signals under various electromagnetic loading conditions were studied, the emission characteristics of the collected nonstationary EMAE signals were studied with Hilbert-Huang transformation.Finally, the relationships among the energy percentage of intrinsic mode functions(IMFs), the cross-correlation coefficients of IMFs, the time-frequency figures of IMFs and crack orientation were established through changing the excitation direction of horizontal magnetic field.

electromagnetically induced acoustic emission; horizontal magnetic field; Hilbert-Huang transformation; crack orientation

國家自然科學(xué)基金(51307043)

2015-08-03 修改稿收到日期：2016-02-13

蔡智超 男，博士，講師，1989年生

劉素貞 女,教授,博士生導(dǎo)師,1969年生

TM153

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.05.038