融合超声检测的电磁声发射技术研究

在恶劣工作环境下的压力容器、叶轮、飞机蒙皮等构件容易由微细裂纹和疲劳损伤引起脆性断裂或者疲劳断裂，进而引发灾难性事故。尽早发现服役设备产生的疲劳微细裂纹和局部闭合裂纹成为无损检测的重要课题之一。电磁声发射技术是通过对导电部件进行电磁加载产生洛仑兹力，进而激发声发射效应，并通过这个效应来进行无损检测，它兼具电磁检测和声发射检测的特点。做为一种动态检测方法，其可以实时检测到缺陷的萌生、扩展及断裂过程。本课题拟在研究电磁声发射机理的基础上，得到电磁激励、裂纹扩展和声发射信号之间的关系，并通过研究外加磁场对声发射效应的影响，解决电磁声发射对激励电源要求过高的问题；建立融合超声检测的电磁声发射激励线圈模型，研究电磁超声和电磁声发射复合检测时不同激励条件下超声信号和声发射信号的特征，设计能同时满足电磁超声检测和电磁声发射检测的线圈，提高声学检测方法对疲劳微细裂纹的检测能力，开拓声发射检测的新方法。

.本课题在深入研究电磁声发射(EMAE)机理的基础上，得到了电磁激励、裂纹扩展和声发射信号之间的关系，设计了能同时满足电磁声发射和电磁超声(EMAT)的线圈，有效提高了声学检测方法对疲劳微细裂纹的检测能力。.取得的主要研究成果：.(1)研究了电磁加载使缺陷自身发出弹性波并据此检测和定位缺陷的机理，建立了电磁声发射的数学模型。.(2)对产生声发射效应的电磁加载方法进行了研究，进行了直接加载、涡流加载的电磁声发射三维有限元分析。研究了缺陷的形变与加载条件的关系，分析了试件缺陷处的电流、电磁力和形变分布。.(3)设计了用于电磁声发射直接加载的脉冲大电流电源和用于涡流加载的数字电源。基于电容放电的原理设计了脉冲大电流源，基于直接数字频率合成技术设计了涡流激励电源。进行了电磁声发射实验，采集了相应的电磁声发射信号，并实现了对试件裂纹的检测与定位。.(4)对电磁声发射信号的处理进行了系统研究。提出了一套基于联合时频分析和小波包变换的电磁声发射信号处理与特征分析方法。基于神经网络对电磁声发射信号进行识别，并根据电磁声发射信号特征向量的特点，提出了神经网络输入向量的自适应优化方案，使得神经网络的识别精度及计算效率得以提高。.(5)考虑偏置磁场和交变磁场的共同作用，采用有限元方法对电磁超声换能器进行了仿真分析，得到了EMAT换能过程中其电场、磁场、力场的分布规律和主要特征。通过电磁结构耦合建立了声场模型，分析了电磁超声表面波在被测试件中的声场分布、指向性等规律。基于超声反射法和衰减法对铝板进行了表面波检测实验，实现了缺陷的定位。.(6)建立了融合超声检测的电磁声发射激励线圈的模型，设计了能同时满足电磁声发射检测和电磁超声检测的换能器。针对非铁磁性材料，激励线圈能够在试件上产生足够强的洛仑兹力激发声发射，在改变激励模式后能产生有明显指向性的表面波，满足超声检测的要求。.(7)设计了电磁声发射-电磁超声复合检测的阻抗匹配电路。设计了功率放大器与负载端之间的阻抗匹配电路，分析了加载电流频率、提离距离对激励线圈阻抗的影响。进行了阻抗匹配实验，实验表明设计的阻抗匹配网络能有效提高电源的输出效率。