張 曦 章蘭珠

(華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200237)

0 引言

管道系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中應(yīng)用廣泛，對于管道系統(tǒng)任何潛在的或?qū)嶋H的結(jié)構(gòu)完整性損害的檢測非常重要。目前已有許多管道泄漏檢測方法提出，其中聲發(fā)射(Acoustic emission, AE)技術(shù)是一種被動(dòng)的泄漏檢測技術(shù)[1]，它對管道中的缺陷點(diǎn)發(fā)出的信號具有很高的靈敏度，利用聲發(fā)射的長距離傳播特性可有效監(jiān)測管道系統(tǒng)[2?5]。例如，Anastasopoulos等[6]討論了聲發(fā)射產(chǎn)生與管道泄漏檢測相關(guān)的物理問題，包括該技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)和要求，以及所需的設(shè)備。Mostafapour 等[4]建立了由泄漏引起的管道振動(dòng)產(chǎn)生的聲發(fā)射模型，并用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了比較。Mao等[7]提出了一種新的聲發(fā)射模型，用于現(xiàn)場監(jiān)測樁荷載過程中地基土的性狀，該模型在技術(shù)上也適用于埋地管道。

管道發(fā)生泄漏時(shí)，泄漏源連續(xù)恒定且頻率成分豐富，因此記錄的信號中包含多種模態(tài)的復(fù)雜混合[8]。同時(shí)，連續(xù)聲發(fā)射波形缺乏可以在傳感器之間識(shí)別和跟蹤單個(gè)事件的時(shí)間結(jié)構(gòu)，還受到散射、反射、折射和模式轉(zhuǎn)換的影響，因此，使用原始聲發(fā)射信號進(jìn)行源定位不僅十分困難，而且通常是不準(zhǔn)確的[9]。Shehadeh 等[10]評估了聲發(fā)射連續(xù)聲源在時(shí)域和頻域上的畸變，認(rèn)為能量衰減技術(shù)是唯一一種可用于無時(shí)間結(jié)構(gòu)連續(xù)聲發(fā)射源定位的方法，且可通過對特定頻率成分進(jìn)行濾波提高定位精度，從而為該技術(shù)所依賴的給定衰減模型提供最佳相關(guān)性。Jeong 等[11]利用聲發(fā)射色散模式的小波變換來精確定位聲源，并提出應(yīng)在信號處理前(在動(dòng)態(tài)意義上)識(shí)別聲發(fā)射信號。Bianchi 等[12]提出了一種利用小波包變換提取鋼軌接觸疲勞試驗(yàn)中單個(gè)事件的方法，解決了噪聲干擾聲發(fā)射信號的問題。為了提高長距離管道的泄漏定位能力，Xu 等[13]提出了一種基于多級框架的泄漏定位新方法。該方法采用了區(qū)域定位和精確定位兩個(gè)步驟，在精度和效率之間取得了很好的平衡。

與此同時(shí)，國內(nèi)外學(xué)者們針對聲波衰減特性開展了大量的工作和研究。1986年，Watanabe 等[14]提出一種檢測和定位輸氣管道泄漏的新聲學(xué)方法。當(dāng)天然氣管道發(fā)生泄漏時(shí)，產(chǎn)生聲波并傳播到管道的兩端，過程中因?yàn)槟芰哭D(zhuǎn)化會(huì)產(chǎn)生衰減，然后由傳感器測量以檢測和定位泄漏。由于流體動(dòng)力學(xué)的復(fù)雜性，聲場擴(kuò)散(包括速度變化和振幅衰減)難以識(shí)別，許多研究者開發(fā)了傳播模型來預(yù)測聲波的速度和振幅。Sun 等[15]的實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析顯示1500 kHz 以下有多個(gè)頻帶存在不對稱聲傳輸，驗(yàn)證了發(fā)射頻率對聲波衰減的影響。Liu等[16]研究了不同截止頻率下的振幅衰減系數(shù)，發(fā)現(xiàn)黏熱效應(yīng)是導(dǎo)致振幅衰減的主要原因。

目前利用聲波的衰減特性定位泄漏已考慮了材料吸收和散射等因素，但是泄漏聲發(fā)射信號頻率較高且頻帶較寬，必須還要考慮信號頻率的影響。本文首先考慮聲發(fā)射波在管道中傳播時(shí)受到管壁晶粒散射及熱流吸收的影響，建立聲發(fā)射衰減模型并實(shí)驗(yàn)測量不同頻率成分的幅值和能量衰減系數(shù)，然后根據(jù)聲發(fā)射信號時(shí)域及頻域特征建立聲發(fā)射源定位模型，并與傳統(tǒng)衰減定位模型比較，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

1 聲發(fā)射源定位模型的建立

1.1 聲發(fā)射衰減模型的建立

1.1.1 聲發(fā)射波傳播原理

聲發(fā)射完全具有聲音的屬性，它在介質(zhì)中傳播時(shí)，其振幅和聲壓會(huì)隨著傳播距離的增加而按照指數(shù)規(guī)律衰減，聲壓隨傳輸距離衰減規(guī)律如式(1)所示：

式(1)中，P0為聲源聲壓；P(x)為傳播x距離后的聲壓；α為幅值衰減系數(shù)。類似的，信號的能量也有如式(2)所示的衰減規(guī)律：

式(2)中，E0為聲源能量；E(x)為傳播x距離后的聲發(fā)射能量；αE為能量衰減系數(shù)。聲發(fā)射波在t時(shí)間內(nèi)的能量為

對于傳感器采集的數(shù)字信號，常用式(3)計(jì)算其單位時(shí)間內(nèi)聲發(fā)射波能量值(即能量釋放速率)：

式(4)中，fs為采樣頻率；s為濾波后的時(shí)域信號；s(i)為其第i個(gè)采樣點(diǎn)的幅值；n=t/fs為采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)。為表述方便，后文用“能量”代替“單位時(shí)間內(nèi)釋放的能量”，符號用E表示。將式(1)～(3)聯(lián)立可得能量衰減系數(shù)αE約為幅值衰減系數(shù)的2倍，即：

1.1.2 聲發(fā)射波的衰減

引起聲發(fā)射衰減的原因主要有擴(kuò)散衰減、散射衰減和吸收衰減3個(gè)方面。

擴(kuò)散衰減指聲波向四周傳播，能量也向四周擴(kuò)散，隨著聲波傳播距離的增加，單位面積的聲波能量及聲壓降低的現(xiàn)象。輸氣管道泄漏聲波在均勻管壁上傳播時(shí)可看作平面波[17]，不存在擴(kuò)散衰減。

散射衰減指聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，因碰到各種散射體而使部分聲波偏離原方向，導(dǎo)致原方向聲波減弱的現(xiàn)象。散射衰減系數(shù)αS根據(jù)晶粒直徑和信號波長的關(guān)系不同也有所變化[18]，聲發(fā)射波長遠(yuǎn)大于無縫鋼晶粒直徑，可用式(6)表示：

式(6)中，Lc為平均晶粒直徑；v0為縱波速；S為散射因數(shù)，是關(guān)于入射波和散射波的函數(shù)[19]。

吸收衰減：由于介質(zhì)的熱傳導(dǎo)，介質(zhì)的稠密和稀疏部分之間發(fā)生熱交換，造成熱流損失，熱流衰減系數(shù)αA可用式(7)[18]表示：

式(7)中，ρ為管道密度；χ為管道熱傳導(dǎo)系數(shù)；CV為鋼管定容比熱容；E為相應(yīng)的彈性系數(shù)，右上角的σ、θ分別代表絕熱值和恒溫值。

本文將其他衰減因素如頻散、相鄰介質(zhì)“泄漏”等先簡化為α′，使聲波衰減模型在工程應(yīng)用上更有意義，即認(rèn)為α=αS+αA+α′。實(shí)際結(jié)構(gòu)中聲發(fā)射衰減機(jī)制十分復(fù)雜，必須在理論分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1.2 聲發(fā)射源定位模型的建立

1.2.1 泄漏檢測閾值

根據(jù)聲發(fā)射衰減模型，泄漏率較小或傳感器距泄漏源較遠(yuǎn)時(shí)，信號中噪聲能量占比突出，不僅影響定位精度，甚至幾乎無法判斷是否有泄漏。本文依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)測得信號能量值超過無泄漏時(shí)的110%，即當(dāng)測得的E(x)大于1.1Es(Es為噪聲能量)時(shí)，認(rèn)為泄漏產(chǎn)生，再進(jìn)行定位。

1.2.2 傳統(tǒng)衰減定位模型

傳統(tǒng)的基于衰減模型定位的方法中，兩個(gè)傳感器放在聲發(fā)射源異側(cè)，距離分別為x1和x2，兩傳感器距離和L=x1+x2直接測出，距離差用式(8)計(jì)算：

于是，得到聲發(fā)射源到傳感器1的距離：

1.2.3 寬頻帶聲發(fā)射源定位模型

由式(6)和式(7)可知聲發(fā)射波衰減系數(shù)與信號頻率的關(guān)系十分密切[15]，針對其頻率較高頻帶較寬的特點(diǎn)，將傳統(tǒng)衰減定位模型直接應(yīng)用在聲發(fā)射信號上會(huì)出現(xiàn)較大的誤差。因此，本文提出寬頻帶聲發(fā)射源定位模型，將濾波后的有效信號按照頻率分解后再計(jì)算各成分對應(yīng)的衰減系數(shù)，最后各成分分別定位。值得一提的是，信號在管道中持續(xù)傳播可能發(fā)生頻率漂移，但漂移率不超過±4%[20]，對于衰減系數(shù)的計(jì)算影響不大。

寬頻帶聲發(fā)射源定位方法具體如下：

(1)確定小波包基函數(shù)和分解層數(shù)。

(2)根據(jù)泄漏檢測閾值選擇節(jié)點(diǎn)。

(3)計(jì)算各有效節(jié)點(diǎn)衰減系數(shù)，頻率代入各節(jié)點(diǎn)中心頻率。

(4)計(jì)算各有效節(jié)點(diǎn)能量值，利用式(9)分別定位，對各節(jié)點(diǎn)定位結(jié)果取均值便可得到準(zhǔn)確的泄漏源位置信息。

1.2.4 三傳感器定位模型

無論是傳統(tǒng)的聲波衰減定位模型還是本文提出的寬頻帶聲發(fā)射源定位模型，都需要對信號進(jìn)行預(yù)處理，且處理后的信號越接近真實(shí)泄漏信號，定位結(jié)果越準(zhǔn)確。然而實(shí)際情況是無論采用何種方法組合，處理后的信號仍然含有噪聲成分并且勢必會(huì)丟失一部分有效信息，造成定位誤差。針對信號處理帶來的這些問題，本文嘗試增加一個(gè)傳感器，則考慮環(huán)境噪聲后3個(gè)傳感器能量為

式(10)中，Es1為距離聲發(fā)射源x1處采集到的噪聲成分的能量。各傳感器處于同一環(huán)境中，假設(shè)各傳感器采集到的信號中噪聲能量值相等：

對式(10)的各傳感器能量做差去除噪聲干擾：

傳感器之間距離L2=x1+x2、L3=x1+x3可直接測得，令式(12)比值為kE，化簡后便可得定位泄漏源：

必須要注意的是，運(yùn)用三傳感器定位模型定位時(shí)，傳感器1與傳感器2、3應(yīng)位于聲發(fā)射源異側(cè)。

2 聲發(fā)射源定位模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

通過觀察實(shí)際輸氣管道系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并搭建泄漏檢測和定位的管道回路[21]如圖1所示。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由管道系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩部分組成。

圖1 實(shí)驗(yàn)管道裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of experimental pipeline device

管道選用20 cm 無縫鋼，由兩段直管和一段彎管組成；管內(nèi)氣體由空壓機(jī)提供，壓強(qiáng)由減壓閥控制；直管線上設(shè)有6 個(gè)直徑為2 mm 的泄漏孔，泄漏狀態(tài)及泄漏量通過針閥和玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制；氣體中的水滴和油滴在通過油水分離器時(shí)被清除。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括聲發(fā)射傳感器、信號放大器和聲發(fā)射采集儀三塊。傳感器選擇RS-2A型傳感器，頻率范圍0～400 kHz，中心頻率150 kHz，對0～230 kHz的信號檢測靈敏度達(dá)60 dB以上，可在?20°C～130°C下正常工作；前置放大器選擇固定增益型，放大倍數(shù)40 dB；采集儀選用北京軟島公司DS5-8A 型全信息聲發(fā)射信號分析儀，最多可支持8個(gè)信號通道同時(shí)進(jìn)行工作。

2.2 聲發(fā)射衰減系數(shù)測量

2.2.1 泄漏聲發(fā)射信號頻率范圍

將傳感器安裝在距離泄漏源0.5 m 處采集管道泄漏信號，采樣頻率fs= 2.5 MHz，管道內(nèi)氣壓0.3 MPa。調(diào)節(jié)針閥設(shè)置不同泄漏率，檢測得到信號時(shí)域圖2所示，可以看出，有泄漏時(shí)信號的幅值比無泄漏時(shí)有所增加，且隨著泄漏率的增大，幅值也相應(yīng)增大。對泄漏信號做快速傅里葉變換后的頻域圖如圖3所示，從圖像上可以直觀地看出，當(dāng)泄漏率增大時(shí)，0～200 kHz 頻率的信號幅值也增大，尤其在8～80 kHz頻率范圍，幅值增加非常明顯；而頻率高于200 kHz的信號的幅值并無明顯變化。

圖2 管道泄漏信號時(shí)域曲線Fig.2 Time domain curve of pipeline leakage signal

圖3 各泄漏率下泄漏聲發(fā)射信號頻譜圖Fig.3 Spectrum diagram of acoustic emission signal under different leakage rates

為驗(yàn)證泄漏信號的頻率范圍，將信號利用小波包函數(shù)進(jìn)行細(xì)致地劃分，觀察各小波子帶能量變化。小波基選擇‘coif5’，分解層數(shù)5 層，各節(jié)點(diǎn)能量分布如表1所示，表中能量變化率為2 L/min 泄漏率工況與無泄漏工況做比較。由表1可清楚地看出，產(chǎn)生泄漏后，[5,0]、[5,1] 和[5,3]這3個(gè)節(jié)點(diǎn)能量變化在250%以上，[5,2]和[5,6]兩節(jié)點(diǎn)的能量變化在50%以上，其余節(jié)點(diǎn)能量變化都不超過10%。根據(jù)泄漏閾值，認(rèn)為泄漏信號能量主要集中在這5 個(gè)節(jié)點(diǎn)，即頻率在196 kHz以內(nèi)。

表1 泄漏信號5 層小波包分解分量能量Table 1 5-layer wavelet packet decomposition component energy of leakage signal

2.2.2 泄漏信號衰減系數(shù)

圖4為聲發(fā)射衰減系數(shù)測量實(shí)驗(yàn)框圖。實(shí)驗(yàn)時(shí)，由Tektronix AFG3021C 任意波形發(fā)生器在管道的一端發(fā)射固定頻率的突發(fā)信號，兩傳感器在管道另一端接收，相距Δx。MATLAB 提取信號的幅值和能量值后，通過式(5)可計(jì)算實(shí)際聲發(fā)射衰減系數(shù)。

圖4 聲發(fā)射衰減系數(shù)測量實(shí)驗(yàn)框圖Fig.4 Experimental block diagram of acoustic emission attenuation coefficient measurement

圖5為當(dāng)發(fā)射頻率為120 kHz、幅值為10 V 的信號時(shí)，兩傳感器接收信號的時(shí)域圖，可以看出，距離信號源較遠(yuǎn)的傳感器2 接收到的幅值和能量較低。分別計(jì)算不同頻率聲發(fā)射信號的幅值和能量衰減系數(shù)，如圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，衰減系數(shù)與f4和f2有關(guān)，且能量衰減系數(shù)約為幅值的2 倍，也就是說，能量對聲發(fā)射信號的衰減比幅值更敏感，所以在利用衰減系數(shù)進(jìn)行泄漏源定位時(shí)，通常選用能量參數(shù)。

圖5 不同距離接收到的信號Fig.5 Signals received at different distances

圖6 信號衰減系數(shù)與頻率的關(guān)系Fig.6 Relationship between signal attenuation coefficient and frequency

2.3 聲發(fā)射源定位模型實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.3.1 聲發(fā)射源定位實(shí)驗(yàn)

定位實(shí)驗(yàn)傳感器布置如圖7所示，傳感器與泄漏源距離如表2所示。實(shí)驗(yàn)分為兩部分：第一部分研究寬頻帶定位模型的定位精度，使用兩個(gè)傳感器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示，其中誤差為預(yù)測泄漏位置與實(shí)際泄漏位置之差除以兩傳感器之間距離的一半；第二部分研究增加一個(gè)傳感器后對定位精度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表2 傳感器布置Table 2 Sensor arrangement

表4 三傳感器定位模型后定位結(jié)果Table 4 Location results of three-sensor positioning model

圖7 聲發(fā)射源定位示意圖Fig.7 Schematic diagram of acoustic emission source location

在傳統(tǒng)衰減定位方法中，一般只保留信號中能量占比最大的成分來計(jì)算衰減系數(shù)并進(jìn)行定位，其他成分直接濾除。根據(jù)圖3，泄漏聲發(fā)射信號中8～30 kHz 的信號變化最明顯，將這部分信號成分提取出來，衰減系數(shù)αE=0.3150 m?1，代入實(shí)驗(yàn)一的信號得到結(jié)果如表5所示。

表5 傳統(tǒng)衰減定位模型定位結(jié)果Table 5 Localization results of traditional localization model

2.3.2 聲發(fā)射源定位模型檢測范圍

以泄漏閾值作為檢測泄漏的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的衰減模型，得到聲發(fā)射源定位模型各泄漏率下的適用范圍如圖8所示。

圖8 聲發(fā)射源定位模型適用范圍(單側(cè))Fig.8 Applicable range of acoustic emission source location model(unidirectional)

3 討論

由表3～5可知：

表3 寬頻帶聲發(fā)射源定位模型定位結(jié)果Table 3 Location results of wide-band acoustic emission model

(1)傳統(tǒng)衰減定位模型的定位誤差在20%以內(nèi)，且隨著泄漏率增大，定位精度顯著提高，當(dāng)泄漏率高于600 mL/min時(shí)，定位誤差低于9%；

(2)寬頻帶定位模型的定位誤差在10%以內(nèi)，隨著泄漏率增大，定位精度也有所提高。該模型平均誤差比傳統(tǒng)定位模型減小5 個(gè)百分點(diǎn)，尤其在泄漏率為60 mL/min時(shí)減小了8個(gè)百分點(diǎn)；

(3)三傳感器定位模型定位誤差在5%左右，幾乎不受泄漏大小的影響，說明通過作差法能夠有效降低噪聲成分的干擾。

誤差來源：(1)管道結(jié)構(gòu)：支管、焊縫等結(jié)構(gòu)對聲波的吸收和散射未考慮，使得聲波衰減規(guī)律并不完全服從指數(shù)規(guī)律。(2)信號采集不準(zhǔn)確：來源于采樣頻率的限制和不同傳感器之間的誤差。聲發(fā)射儀的最低采樣頻率為2.5 MHz，遠(yuǎn)超泄漏信號有效頻率(200 kHz)的兩倍，過高的采樣頻率使采集到的數(shù)據(jù)量過大，包括許多不必要的環(huán)境信息；若要減少計(jì)算量及節(jié)省存儲(chǔ)空間勢必使得采樣時(shí)間過短，導(dǎo)致許多有效信息被排除在外。同一工況同一采樣位置，不同的傳感器采集的信號幅值不相同。(3)信號處理的誤差：小波包分解信號的過程并不嚴(yán)格，各節(jié)點(diǎn)之間的頻率會(huì)有混疊，需對信號處理方法進(jìn)一步改進(jìn)。(4)實(shí)驗(yàn)誤差：泄漏通過閥門開啟實(shí)現(xiàn)，泄漏量通過流量計(jì)確定。雖然操作過程中已盡量模擬實(shí)際中的工況，但誤差難免存在，造成信號數(shù)據(jù)的浮動(dòng)。

4 結(jié)論

(1)泄漏聲發(fā)射波在管道上傳播的模式為一維平面波形式，其傳播過程受到金屬晶粒散射作用和熱流效應(yīng)的影響。考慮以上因素本文從理論上建立了聲波幅值和能量的衰減模型，并利用實(shí)驗(yàn)得到了準(zhǔn)確的衰減系數(shù)。

(2)泄漏聲發(fā)射頻率集中在8～197 kHz，頻帶較寬。本文對傳統(tǒng)衰減定位模型進(jìn)行優(yōu)化，提出了寬頻帶聲發(fā)射源定位模型，將聲發(fā)射信號利用小波包進(jìn)行分解，根據(jù)各節(jié)點(diǎn)中心頻率計(jì)算衰減系數(shù)，從而提高定位精度。實(shí)驗(yàn)證明使用寬頻帶定位模型時(shí)，定位誤差平均減小5 個(gè)百分點(diǎn)，在泄漏率為60 mL/min時(shí)可減小8個(gè)百分點(diǎn)。

(3)針對處理后的信號中仍存在的噪聲分量，本文提出通過增加一個(gè)傳感器，利用3 組信號互相做差的算法提高定位精度。實(shí)驗(yàn)證明，增加一個(gè)傳感器可有效減小噪聲的影響，定位誤差約為5%。相比于傳統(tǒng)模型和寬頻帶模型，該方法操作和計(jì)算均復(fù)雜一些，更適用于低泄漏率、高定位精度的情況。

(4)本文提出的寬頻帶定位模型在計(jì)算聲波衰減系數(shù)時(shí)，簡單地使用各小波包節(jié)點(diǎn)的中心頻率，未考慮各節(jié)點(diǎn)內(nèi)部各頻率成分能量的分布，這可作為進(jìn)一步研究方向。