刘永轩沈书乾李 伟

(1.大连民族大学 机电工程学院,大连 116600；2.中国石油集团安全环保技术研究院HSE重点实验室,北京 100000；3.东北石油大学 机械科学与工程学院,大庆 163318；4.广东省特种设备检测研究院茂名检测院,茂名 525000)

随着社会经济、工业生产的蓬勃发展和科学技术的进步，各种机械设备得到了越来越广泛的应用，钢铁和铝等金属及其合金也得到了大量应用[1]，但由于承受载荷的复杂性和不确定性，金属板材内部易出现结构损伤，从而产生安全隐患[2]，对金属构件的安全评价及检测也变得非常重要。电磁声发射技术是近几年发展起来的一种全新的无损检测技术，可以用来对金属薄板进行损伤检测及评价[3]。

美国物理声学公司的学者FINKEL等[4]首次激发出了电磁声发射信号,并理论说明了确定电流脉冲和外部磁场参数的可能性。陈中剑等[5]在2005年利用有限元法对电磁声发射技术的耦合场进行了分析。张闯等[6]利用大电流直接加载的方式进行了声发射试验，研究了脉冲大电流的幅值、持续时间等电磁加载参数的变化对电磁声发射信号的影响规律。金亮等[7]建立了电磁声发射有限元分析模型，分析了缺陷顶点的形变随激励电流的变化规律，论证了涡流激励声发射的可行性。

笔者以实验室内建立的电磁声发射检测试验平台为基础[8]，利用多物理场仿真软件分析不同尺寸裂纹洛伦兹力的变化规律，并对铝板裂纹进行了电磁声发射检测试验，采用小波包分析方法对电磁声发射信号进行数据处理，分析裂纹尺寸的变化对声发射信号的影响，对仿真结果加以验证，为电磁声发射技术的工程应用奠定了基础。

1 电磁声发射有限元分析

1.1 模型的建立及求解

为了研究裂纹长度、深度对洛伦兹力的影响，建立了有限元几何模型，设置AC/DC模块中的磁场接口作为待求解物理场[9]，以及采用电路接口来模拟电路中的正弦激励电流。激励线圈为多匝空心圆柱线圈，导线直径为0.5 mm，线圈内径、外径、高度分别为6,10,20 mm,线圈匝数为160。电磁激励电流、频率分别为5 A，25 kHz，线圈提离高度为1 mm。线圈、铝板材料以及空气层选取COMSOL软件材料库中的Copper、Aluminum和Air。模型中线圈、铝板、裂纹以及空气层设置为同轴对称。网格划分采用自由剖分四面体网格，设置瞬态求解器进行物理场求解[10]。

1.2 不同裂纹尺寸对洛伦兹力的影响

裂纹尖端洛伦兹力分布云图如图1所示，在裂纹尖端处有受力集中的现象。

图1 裂纹尖端洛伦兹力分布云图

图2 不同裂纹长度时裂纹尖端处的洛伦兹力密度曲线

图3 不同裂纹深度时裂纹尖端处的洛伦兹力密度曲线

研究不同裂纹尺寸对洛伦兹力变化的影响，图2，3分别为不同裂纹长度和深度下的裂纹尖端处的洛伦兹力密度曲线。在图2中，裂纹长度分别为3.5，4.0，4.5，5.0，5.5 mm，裂纹深度、宽度分别为2，0.5 mm；在图3中，裂纹深度分别为1，2，3，4，5 mm，裂纹长度、宽度分别为5，0.5 mm。观察曲线可知，随着裂纹长度的增加，裂纹尖端处所受的洛伦兹力逐渐变大；随着裂纹深度逐渐增加，靠近试件表面1 mm以内的洛伦兹力的变化趋势基本相同，但根据力矩原理，裂纹深度越大，作用力的力臂越大，洛伦兹力对裂纹的作用效果增强[11]。

2 试验方法

对含不同长度和不同深度裂纹的两组试件进行电磁声发射试验。铝板试件表面裂纹外观如图4所示。通过电磁激励线圈在铝板内部激励产生脉冲信号，再通过声发射系统采集、存储试验信号。

图4 铝板试件表面裂纹外观

考虑到试验噪声的影响，首先将激励线圈放置在无缺陷位置，测量机械噪声以及电磁噪声，得到无缺陷时的声发射信号，然后对不同裂纹尺寸进行电磁声发射试验。图5，6分别为不同裂纹长度和裂纹深度的声发射信号幅值变化曲线。可以看出，当试件无缺陷时，信号幅值仅为门槛值34 dB，而不同裂纹长度和不同裂纹深度情况下的幅值范围分别为37～38 dB和38～40 dB，无明显的递变规律。所以在幅值的特性参数上，可以判断试件有无缺陷，但无法有效地分析出不同裂纹尺寸对电磁声发射信号的影响，需要用信号处理的手段对记录的声发射信号波形进行分析，深入研究声发射信号的特征，确定不同裂纹尺寸对电磁声发射信号的影响。

图5 不同裂纹长度时的试件声发射信号幅值变化曲线

图6 不同裂纹深度时的试件声发射信号幅值变化曲线

3 信号分析

根据电磁声发射试验记录的信号波形，对其进行快速傅里叶变化(FFT)得到频谱图。图7为无缺陷时声发射信号的频谱。可以看出，当试件无缺陷时，只有频率在25 kHz左右时出现峰值现象;当试件存在缺陷时，以裂纹尺寸3.5 mm为例，其声发射信号频谱如图8所示，频率在80 kHz左右时信号出现峰值现象。对其他裂纹尺寸的声发射信号波形进行FFT，同样在80 kHz左右时信号都有明显的峰值现象，但由于频率在25 kHz时存在峰值现象，无法准确地判断其变化规律，需要对该频率范围内的信号进一步研究，即对该信号进行小波包分解，得到此频率范围内的信号，从而确定其变化规律。

图7 无缺陷时的声发射信号频谱

图8 裂纹长度为3.5 mm时的声发射信号频谱

试验的采样频率为1 MHz，根据采样定理，该声发射信号的频带范围为0～500 kHz，所以将此信号进行3层分解，每阶信号的频带宽度为62.5 kHz，分解后的第三层第二阶分量频率范围62.5 kHz～125 kHz为主要研究的频率范围。根据原始信号的波形，选择Symlets小波系中的sym6小波对声发射信号进行分解与重构，对重构后的三层二阶分量的波形信号再次进行FFT，得到裂纹长度为3.5 mm时三层二阶分量的波形和频谱(见图9)，其中波形的峰值电压为9.911×10-4V，频谱的峰值电压为0.079 7 V。

图9 裂纹长度为3.5 mm时的三层二阶分量波形及频谱

对其他裂纹尺寸的声发射信号进行小波包分解与重构，得到波形峰值电压和频谱峰值电压曲线。图10,11分别为不同裂纹长度的波形峰值电压和频谱峰值电压变化曲线。图12,13分别为不同裂纹深度的波形峰值电压和频谱峰值电压变化曲线。可以看出，随着裂纹长度或者裂纹深度的逐渐增加，波形以及频谱的峰值电压也逐渐增大，并且变化曲线的斜率逐渐变小。

图10 不同裂纹长度的波形峰值电压变化曲线

图11 不同裂纹长度的频谱峰值电压变化曲线

图12 不同裂纹深度的波形峰值电压变化曲线

图13 不同裂纹深度的频谱峰值电压变化曲线

4 结论

(1)在确定激励线圈结构参数和电磁激励参数的情况下，对含不同尺寸裂纹的铝板进行电磁场仿真分析得到：随着裂纹长度的逐渐增加，裂纹尖端所受的洛伦兹力也逐渐变大；当裂纹深度改变时，虽然靠近试件表面的裂纹尖端的受力情况相同，但作用力臂变大，力的作用效果同样变强；当裂纹深度到达1 mm深度以后，受力基本为0，所以此种激励线圈的最佳检测深度为1 mm。

(2)分析声发射信号的幅值特性参数可知：当试件无缺陷时，幅值参数仅为门槛值，低于试件存在缺陷时的幅值，当裂纹尺寸变化时，幅值参数没有明显的变化规律，并在一定范围内上下波动。利用幅值的特性参数分析，能够判别出试件有无缺陷，无法有效识别缺陷的大小。

(3)对声发射信号的波形进行信号处理得到：试件无缺陷时，频率在25 kHz左右存在明显的峰值，此为电磁声发射激励的载波；试件存在缺陷时，频率在80 kHz左右出现明显的峰值现象。利用小波包对该频段范围内的信号进行深入分析，发现当裂纹长度或者裂纹深度增加时，分解后的波形以及频谱的峰值电压也逐渐变大，变化曲线的斜率逐渐变小。