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(中南大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410083)

在熱工檢測(cè)領(lǐng)域，經(jīng)常需要對(duì)運(yùn)送高溫高壓介質(zhì)的管道進(jìn)行檢測(cè)。處于惡劣環(huán)境下的承壓管道容易發(fā)生泄漏，泄漏發(fā)生時(shí)，管道內(nèi)的高溫、高壓流體因內(nèi)外壓力差，在通過(guò)裂縫噴射出來(lái)時(shí)形成射流，同時(shí)產(chǎn)生噴流噪聲[1]。聲學(xué)檢測(cè)技術(shù)可以通過(guò)頻譜分析和專家診斷迅速給出管道泄漏的情況評(píng)估，是一種比較先進(jìn)的技術(shù)[2]。目前，電站鍋爐的承壓管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)普遍依靠區(qū)域性定位原理[3]，即通過(guò)比較各個(gè)聲探頭采集信號(hào)能量的大小，粗略估計(jì)聲發(fā)生源所在區(qū)域。這種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)體積龐大，傳感器數(shù)量多達(dá)40～60只，造價(jià)昂貴并且檢測(cè)精度低。在確保系統(tǒng)便攜性、低造價(jià)、高準(zhǔn)確度的條件下，筆者開(kāi)發(fā)了一套完整的聲源檢測(cè)與定位系統(tǒng)，為聲發(fā)射檢測(cè)儀器的設(shè)計(jì)提供了參考。

1 聲源定位系統(tǒng)功能與工作原理

聲源定位系統(tǒng)依靠被動(dòng)接受聲發(fā)射源信號(hào)以及進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算來(lái)實(shí)現(xiàn)聲源的特征分析與位置估計(jì)。與超聲波式、紅外線式檢測(cè)儀器不同，聲源定位系統(tǒng)不向外輻射電磁波，且安全性、隱蔽性、經(jīng)濟(jì)性都比較好。系統(tǒng)可用于管道安全檢測(cè)與泄漏點(diǎn)定位、火炮位置自動(dòng)識(shí)別[4]等場(chǎng)景。系統(tǒng)可識(shí)別聲頻率范圍為20 Hz～20 kHz，總質(zhì)量為14.5 kg,能耗為500 W，平均相對(duì)誤差在15%以內(nèi)。

便攜式聲源定位系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。便攜式工控機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)算中心,通過(guò)搭載Microsoft.NET設(shè)計(jì)的操作界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。界面上的控件調(diào)用后臺(tái)程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集控制、信號(hào)濾波與頻譜分析、聲源位置計(jì)算。數(shù)據(jù)采集模塊與工控機(jī)采用通用串行總線通信，工控機(jī)控制數(shù)據(jù)采集的起止與采樣率，傳感器模塊以同軸電纜與數(shù)據(jù)采集卡相連。系統(tǒng)以順序邏輯結(jié)構(gòu)運(yùn)行，開(kāi)始數(shù)據(jù)采集后觀察信號(hào)頻譜圖的實(shí)時(shí)變化，若有突變高頻成分出現(xiàn)，提取這一段信號(hào)進(jìn)行濾波處理。濾波后加窗分幀，進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算，得到時(shí)延估計(jì)值。最后定位程序?qū)r(shí)延估計(jì)值與聲速、傳感器位置、迭代初始值代入進(jìn)行迭代，直到收斂并輸出一個(gè)位置坐標(biāo)與圖像。這樣，系統(tǒng)就完成了一次聲發(fā)射信號(hào)的頻譜分析與源位置顯示。

圖1 便攜式聲源定位系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件

2.1 傳感器陣列的設(shè)計(jì)與傳感器選擇

傳感器陣列的形式?jīng)Q定了傳感器的數(shù)量與聲源定位的分辨率。為了在傳感器數(shù)量最少的情況下實(shí)現(xiàn)空間任意方位的位置識(shí)別，系統(tǒng)采用正四面體的形式，傳感器間距0.5 m。傳感器標(biāo)定后以0～3進(jìn)行編號(hào)，每一個(gè)傳感器配備對(duì)應(yīng)編號(hào)的組合式支架一個(gè)，與數(shù)據(jù)采集卡0～3的4個(gè)通道一一對(duì)應(yīng)。0號(hào)傳感器所在位置定為空間坐標(biāo)系原點(diǎn)，0，1，3號(hào)傳感器確定了xoy平面，2，0，3號(hào)傳感器確定了xoz平面。傳感器在支架上采用螺栓連接的形式固定,表面開(kāi)螺紋孔減少損傷。支架豎直和水平方向設(shè)有刻度尺，可有效減小傳感器安裝位置的偏差。獨(dú)創(chuàng)的組合式支架比傳統(tǒng)的一體式陣列架具有更高的便攜性和更好的適應(yīng)性。傳感器支架結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，傳感器陣列結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖2 傳感器支架結(jié)構(gòu)示意

圖3 傳感器陣列結(jié)構(gòu)示意

聲音傳感器是檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其響應(yīng)多敏感于表面振動(dòng)的垂直位移，包括位移、位移速度和位移加速度，這主要取決于聲音傳感器的頻率響應(yīng)和靈敏度特性[5]。選型時(shí)陣列中傳感器必須參數(shù)一致，特別要對(duì)傳感器進(jìn)行相位校準(zhǔn)工作[6]，確保原始相位相同。為了減小定位誤差，傳感器的體積要盡量小。系統(tǒng)選擇了MPA416型傳感器，其頻率響應(yīng)范圍為20 Hz～20 kHz，靈敏度為50 mV·Pa-1，動(dòng)態(tài)范圍為29～127 dB。

2.2 數(shù)據(jù)采集器的選擇

系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集卡為PMD-1608FS型，12通道獨(dú)立同步采樣，采樣率可達(dá)250 kHz，采樣深度為16 bit。數(shù)據(jù)采集卡采用單芯片技術(shù),集成度高,穩(wěn)定性提高了5倍。數(shù)據(jù)采集器外型小巧,所有信號(hào)的輸入輸出均通過(guò)帶螺絲的接線端子連接，價(jià)格是傳統(tǒng)采集卡的一半, 性價(jià)比高。

3 軟件設(shè)計(jì)

研制了 “便攜式聲源定位監(jiān)測(cè)軟件”，實(shí)現(xiàn)了范圍內(nèi)聲源的特征分析與位置估計(jì)。軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境采用Microsoft.Net完成，即Microsoft 的 XML Web 服務(wù)平臺(tái),不論操作系統(tǒng)或編程語(yǔ)言有何差別，XML Web服務(wù)能使應(yīng)用程序在Internet上傳輸和共享數(shù)據(jù)。開(kāi)發(fā)平臺(tái)為Windows 7，軟件設(shè)計(jì)采用了新輔助線程、界面包、Net Framework 4.0等技術(shù)。

3.1 操作界面設(shè)計(jì)

操作界面顯示數(shù)據(jù)并對(duì)硬件執(zhí)行控制命令，主界面中包含5個(gè)子界面(見(jiàn)圖4～8)。數(shù)據(jù)采集主界面開(kāi)辟了新的輔助線程，成功初始化數(shù)據(jù)采集卡后即可采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集設(shè)置界面包括通道選擇、采樣率設(shè)定、圖形顯示等功能。頻譜分析設(shè)置界面包括信號(hào)提取長(zhǎng)度選擇、數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出、信號(hào)頻譜圖顯示等。濾波降噪設(shè)置界面包括濾波器參數(shù)的輸入和濾波后信號(hào)頻譜圖的顯示?；ハ嚓P(guān)分析設(shè)置界面包括加權(quán)函數(shù)選擇和互相關(guān)圖像顯示。聲源位置顯示界面則包含聲源坐標(biāo)輸出、位置圖示顯示、測(cè)試結(jié)果保存功能等。界面性能穩(wěn)定，功能豐富。

圖4 數(shù)據(jù)采集子界面

圖5 頻譜分析子界面

圖6 濾波降噪子界面

圖7 互相關(guān)分析子界面

圖8 定位結(jié)果子界面

3.2 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

實(shí)際工作中,選擇采樣頻率的依據(jù)是采樣定理,即對(duì)于一個(gè)頻限信號(hào)x(t),若其最高頻率分量為ωm,則保證信號(hào)復(fù)原時(shí)不失真的采樣頻率ωs應(yīng)滿足ωs>2ωm。但采樣率設(shè)置太高將導(dǎo)致系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)量冗雜，需要進(jìn)行試驗(yàn)研究以確定系統(tǒng)的最佳采樣率。試驗(yàn)分別以10，50，100 kHz的采樣率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)照不同采樣率下的定位誤差。系統(tǒng)采樣率設(shè)置對(duì)定位誤差的影響如表1所示，表1中的數(shù)據(jù)表明，當(dāng)系統(tǒng)采樣率提高時(shí)，時(shí)延估計(jì)值更接近理論值，定位結(jié)果也更接近真實(shí)值。當(dāng)系統(tǒng)采樣率為100 kHz時(shí)，平均時(shí)延估計(jì)誤差降為2.13%，平均定位誤差為4.9%，兩者分別比采樣率為10 kHz時(shí)的5.19%和35.8%有了明顯降低?？紤]系統(tǒng)誤差與數(shù)據(jù)處理的難度，確定系統(tǒng)采樣率設(shè)置為100 kHz是合適的。

利用信號(hào)進(jìn)行離散傅里葉變換和信號(hào)處理時(shí),因運(yùn)算時(shí)間和儲(chǔ)存容量的限制,只能處理有限的樣本容量。分析信號(hào)頻譜時(shí)調(diào)用MATLAB軟件中的FFT(快速傅里葉變換)函數(shù)，其樣本通常是2的整數(shù)次冪，如2 048。因此，必須對(duì)時(shí)間無(wú)限的數(shù)字序列進(jìn)行截?cái)嗵幚怼Ｐ孤┞曅盘?hào)是連續(xù)的隨機(jī)信號(hào),包含多個(gè)頻率分量,截?cái)嗪蟠嬖谀芰款l譜泄漏,需要加窗函數(shù)來(lái)滿足傅里葉變換周期性的要求。綜合考慮檢測(cè)信號(hào)的特性與測(cè)試的重點(diǎn)(關(guān)注頻率點(diǎn)而非能量大小)，選擇periodic類型的Hanning窗函數(shù)，窗長(zhǎng)度為400，幀移為100。

4 檢測(cè)實(shí)例

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的功能, 在室外空曠環(huán)境對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試。聲源為模擬噪聲，主頻在2 kHz～3 kHz之間，由藍(lán)牙音箱播放。

表1 系統(tǒng)采樣率設(shè)置對(duì)定位誤差的影響

系統(tǒng)采樣率設(shè)為100 kHz，采樣時(shí)長(zhǎng)為3 s，分析點(diǎn)數(shù)為2 048。4個(gè)傳感器坐標(biāo)分別為M0(0,0,0),M1(0，0.5，0),M2(0.5,0,0),M3(0，0，0.5)，其中M0設(shè)為參考傳感器。試驗(yàn)開(kāi)始前，先測(cè)量當(dāng)?shù)芈曀?。?2,0,0)處發(fā)聲信號(hào)6次，測(cè)得相距0.5 m的1，2號(hào)傳感器的平均時(shí)差為0.001 44 s，故實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的聲速為347.22 m·s-1。

為了驗(yàn)證系統(tǒng)在任意方位的定位效果(見(jiàn)圖9)，用MATLAB中的round函數(shù)在空間中隨機(jī)生成10個(gè)隨機(jī)測(cè)試點(diǎn)，測(cè)試點(diǎn)坐標(biāo)與定位坐標(biāo)均列于表2中。

表2 定位試驗(yàn)結(jié)果

圖9 定位結(jié)果三維圖示

定位試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)可以識(shí)別各個(gè)位置的發(fā)聲射源并進(jìn)行定位，無(wú)定位盲區(qū)。系統(tǒng)在(2，0，0)，(2，1.5，2.5)這兩個(gè)位置的定位絕對(duì)誤差在30～50 cm，有所偏離。但在其他測(cè)點(diǎn)，定位絕對(duì)誤差在10 cm左右。定位平均相對(duì)誤差為11.75%，能滿足工業(yè)測(cè)試要求。

5 結(jié)語(yǔ)

研制的便攜式聲源定位系統(tǒng)是一種集機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、陣列信號(hào)處理技術(shù)為一體的被動(dòng)式聲源檢測(cè)與定位裝置。該設(shè)備采用了有別于其他裝置的硬件設(shè)計(jì)與信號(hào)處理手段。系統(tǒng)可識(shí)別聲頻率范圍為20 Hz～20 kHz，總重量為14.5 kg,能耗為500 W，平均定位誤差為11.75%。經(jīng)過(guò)實(shí)踐證明，該系統(tǒng)具有便攜性好、成本較低、運(yùn)行可靠、功能完善的特點(diǎn)。該系統(tǒng)適用于壓力管道的泄漏點(diǎn)檢測(cè)、火炮落點(diǎn)位置識(shí)別及建筑的聲環(huán)境測(cè)試。所述系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)潔、層次清晰，基于實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)提出的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置具有較高的參考價(jià)值。