基于DDS技术的电磁声发射涡流加载电源

　　1 引言

　　电磁声发射技术是一种新型的无损检测技术，不仅具有声发射动态检测的优点，而且由于缺陷本身是应力波发生源，因此可以用来检测和定位构件上隐藏 的微小裂缝。美国物理声学公司(PhysicalAcoustics Corporation, PAC)的学者 P. Finkel 等人使用电极引入的局部动态电磁激励成功地在薄板裂缝缺陷处激发了声发射信号，并对电流分布进行了有限元模拟，证实了电磁声发射可以对薄金属件中的缺陷进 行有效的检测[1,2]。在国内，河北工业大学最早对电磁声发射进行了研究，并采用直接加载的方式，成功地采集到了声发射信号并进行了缺陷定位 [3-6]。

　　电磁加载有两种方式：一种是脉冲大电流直接加载;另一种是使用电磁线圈引入激励，即涡流激励声发射。直接加载存在激励电流过高、加载不方便等缺 点。本文采用涡流加载的方式，通过涡流加载在缺陷处激发出适当幅值的声发射信号，以实现对缺陷的检测。涡流加载可以使能量更加集中于缺陷，降低完好区域声 发射的干扰，在相同声发射强度的条件下，采用涡流加载可以极大地降低对电源输出幅值方面的要求。同时，涡流加载具有无接触检测的优点，有利于拓宽电磁声射 技术的应用场合[7]。

　　本文从工程实用性和实验研究有效性的角度出发，设计了一种基于直接数字频率合成(DirectDigital Synthesis，DDS)技术的新型涡流激励电源，该电源功率易扩容、频率易调整、工作稳定，满足了电磁声发射对激励电路的要求。

　　2 电磁激励激发声发射的原理

　　电磁声发射的实验原理如图 1 所示，一个带有径向裂纹的圆孔是金属薄板材料中典型的疲劳损伤。电磁线圈激励的涡流作为电磁激励产生洛伦兹力，激发缺陷本身振动甚至微扩展，进而产生自调 制的声发射信号。采用两个压电陶瓷声发射传感器采集缺陷的声发射信号。钕铁硼永磁体产生的磁场垂直于缺陷平面用来加强声发射效应。

　　电磁声发射是通过电磁加载产生声发射响应，本质上说是一个电磁-应力耦合问题。导体缺陷部位通过的大密度电流将会在缺陷表面施加一个电磁力，这也是激发通电金属板产生声发射现象的力载荷。各向同性弹性介质中声波传输方程为

　　式中，F 是电磁力;E 和μ分别是材料的弹性模量和泊松比;m 是材料的密度;u 是位移。

　　3 激励电源的设计方案

　　3.1 激励电源的总体结构

　　在高频下由调谐信号发生器、锁相信号发生器和合成信号发生器产生的信号，存在精度不高、频率低、稳定性差等缺陷。为了实现高频下脉冲和频率可以 灵活地调节，本文采用直接数字频率合成技术，不仅克服了以上缺点，还具有切换速度快(可达μs 级)，分辨率高，体积小，便于集成等优点，由于其采用数字控制的方法，便于软件编程控制。