Research on Acoustic Localization Technology for PIG*

LIU Mengran，ZHANG Guojun*，JIAN Zeming，LIU Hong，ZHANG Wendong

(1.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2.Key Laboratory of Science and Technology on Electronic Test and Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China)

Research on Acoustic Localization Technology for PIG*

LIU Mengran1，2，ZHANG Guojun1，2*，JIAN Zeming1，2，LIU Hong1，2，ZHANG Wendong1，2

(1.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2.Key Laboratory of Science and Technology on Electronic Test and Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China)

According to the current demands of the pipeline testing systems，the ground marker technology based on acoustics principle has become the research hotspot and difficulty currently.A new type of bionic acoustic vector sensor based on MEMS technology with high sensitivity and high SNR has been innovatively used for ground marker research.Firstly，the sounding mechanism and signal characteristic are introduced when pipeline inspection device works in pipeline.Because the absorption coefficient of sound wave is directly proportional to the square of the frequency，in the low frequency，damping is small and its spread is more complete.For single sensor，the simulation result has showed that the MEMS acoustic vector sensor has good directional ability.Finally，the experiment has been carried on at scene and the table of directional angle has been draw.And the feasibility of the MEMS acoustic vector sensor applied to the pipeline ground marker is verified.

PIG;MEMS sensor;acoustic signal;acoustic attenuation;beam forming

管道作為一種封閉性的運輸工具，逐步成為當(dāng)今社會5大運輸形式之一，呈現(xiàn)迅猛發(fā)展的趨勢。伴隨著管道的大范圍普及和使用時間的延長，管道老化、腐蝕與人為破壞及其他因素的影響，管道運輸泄漏、爆炸等事故頻繁出現(xiàn)，嚴(yán)重威脅著環(huán)境與人身安全。所以對管道的檢測顯得尤為重要［1－4］。

目前，在所有檢測方式中，利用管道內(nèi)檢測器(PIG)進行的管道巡檢方式是世界上應(yīng)用最廣泛又最有效的管道檢測方法。然而，由于其自身攜帶的里程輪本身結(jié)構(gòu)的誤差及不可避免的磨損導(dǎo)致直徑的變化等因素的影響，使得定位精度下降。針對這一問題，管道巡檢裝置的地面標(biāo)記技術(shù)應(yīng)運而生。隨著管道巡檢裝置的廣泛使用，管道地面標(biāo)記系統(tǒng)的研究也越來越受到各研究單位及廠家的重視。目前已經(jīng)研制出渦流法、磁學(xué)方法和聲學(xué)方法等不同原理的地面標(biāo)記器。

使用聲學(xué)原理現(xiàn)已成為許多單位的共識和技術(shù)發(fā)展的趨勢。所以，尋找一種高靈敏度的聲傳感器，對聲信號在土壤中傳播進行分析，對于管道檢測系統(tǒng)的繼續(xù)深入研究具有非常重要的意義。本文提出一種新型MEMS聲傳感器應(yīng)用于管道內(nèi)檢測器的地面標(biāo)記中。MEMS聲傳感器具有:穩(wěn)定性好、矢量性、高靈敏度、良好的“8”字型指向性等優(yōu)點，單個傳感器可以實現(xiàn)對目標(biāo)聲源的定向［5－8］。

1 基本原理

1.1管道巡檢裝置在管道中的發(fā)聲機理

管道巡檢裝置置于管道內(nèi)部，自身或是管道內(nèi)部壓力使其前進。管道巡檢裝置在管道中運行產(chǎn)生的聲音信號分為兩部分:(1)巡檢裝置的內(nèi)部設(shè)備中的皮碗與管道的摩擦聲信號，(2)管道巡檢裝置與管道接縫的碰撞聲信號(如圖1)。

圖1 管道巡檢裝置在管道中的發(fā)聲示意圖

當(dāng)管道巡檢裝置在管道內(nèi)運行時，皮碗與管道摩擦產(chǎn)生的聲音是一種由摩擦噪聲引起的同頻率的振動現(xiàn)象。這個摩擦振動產(chǎn)生的頻率不隨其速度的改變而改變，該頻率只是在固定頻率附近存在的小范圍的波動，這是一種自激振動。對于自激振動而言，它一般存在于某個系統(tǒng)的固有頻率，而這個固有頻率與運動物體的法向載荷有關(guān)。通過實驗得出這個固有頻率集中在80 Hz～400 Hz之間［9－11］。

對于成百上千米的管道而言，它是由各分段的管道單元焊接而成。當(dāng)巡檢裝置在管道中運行時，一定會經(jīng)過這些突起的焊縫。巡檢裝置運行時會在經(jīng)過焊縫的時候形成一個明顯的沖擊振動?，F(xiàn)場實驗結(jié)果顯示，該沖擊振動產(chǎn)生的聲信號幅度較摩擦產(chǎn)生的振動幅度大，頻率相對較低，主要集中在幾十赫茲之間。

通過實地試驗驗證，得出巡檢裝置在管道中運行產(chǎn)生的聲信號主要集中在幾十赫茲到400 Hz之間，有其固有的特征，這項驗證實驗在進行模擬聲源信號實驗、管道現(xiàn)場測試時對聲信號進行特征提取及模式識別，有著重要的作用。

1.2 土壤中聲信號的傳播原理

土壤介質(zhì)是一種復(fù)雜的三相合一介質(zhì)。從介質(zhì)性質(zhì)又可分為流體介質(zhì)(氣相、液相)與固體介質(zhì)(土顆粒)。對于這種雙向介質(zhì)而言，其聲波的傳播理論較為復(fù)雜［12］。

對于土壤這種孔隙介質(zhì)而言，聲波的傳播理論尚未完全建立。但是，Biot提出的流體飽和孔隙固體的彈性波傳播理論，從理論推導(dǎo)出在雙相介質(zhì)中波的傳播方程，并預(yù)言了存在的3種體波:快縱波、慢縱波及體波［13－16］。根據(jù)這種理論的推導(dǎo)得知，快縱波具有相對較小的頻散特性，而慢縱波的衰減相當(dāng)快。在此基礎(chǔ)上，Sun等人推導(dǎo)出了孔隙介質(zhì)中3種體波的數(shù)學(xué)式［17］。

快縱波與慢縱波在土壤介質(zhì)中的傳播機制如圖2所示［18］。慢縱波主要存在于流體介質(zhì)中，受介質(zhì)粘滯力影響較大，耗散的能量較多，而且，由于流體介質(zhì)的可壓縮性阻礙了它的順利傳播，當(dāng)頻率增大時，可壓縮性減小，在一定程度上加快其傳播速度。而快縱波主要傳播介質(zhì)為土壤顆粒，受粘滯力影響較小，所以，快縱波的衰減比慢縱波的衰減低數(shù)個數(shù)量級。不論快縱波還是慢縱波，聲波頻率增加都會引起衰減的增大。圖中，快縱波的相速度趨于常量而衰減系數(shù)小，對于慢縱波而言，它的相速度隨著頻率的增加而增加，且明顯小于快縱波的速度，衰減系數(shù)也較大。

圖2 快縱波與慢縱波在土壤介質(zhì)中的傳播機制

基于上述理論分析，本文的主要研究主要基于快縱波。由于快縱波的衰減主要是由介質(zhì)的吸收衰減引起，而吸收系數(shù)與頻率的平方成正比［19］。因此，聲波中的高頻成分會產(chǎn)生強烈的消耗，在低頻時吸收系數(shù)小，聲波的傳播更完整，衰減小。所以說土壤介質(zhì)中聲信號的應(yīng)用主要集中在低頻部分。在之前討論得知管道巡檢裝置在管道中運行時聲信號的頻率集中在幾十赫茲到400 Hz之間，集中在較低頻的范圍內(nèi)，聲波衰減相對較少，因此，本文論述的基于聲信號的管道巡檢裝置的地面標(biāo)記在理論上是有效可行的。

2 MEMS聲矢量傳感器

MEMS聲矢量傳感器是基于壓阻原理、仿生原理及MEMS原理的一種新型的用于測量微弱聲信號的傳感器，聲矢量傳感器如圖3所示。

圖3MEMS聲矢量傳感器

基于壓阻原理能夠測量直至零頻的聲信號，這就為測量微弱低頻聲信號提供了強有力的科學(xué)依據(jù)。MEMS聲矢量傳感器的設(shè)計就是利用了壓阻原理的這一優(yōu)點。其微結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。傳感器敏感結(jié)構(gòu)采用四懸臂梁+纖毛(剛硬柱體)支撐塊的結(jié)構(gòu)，纖毛集成于中心體上。壓敏電阻對稱分布于4個懸臂梁的兩端，如圖5所示。X、Y路的4個壓敏電阻分別構(gòu)成一個惠斯通電橋，如圖6所示。當(dāng)聲波引起纖毛發(fā)生偏斜，壓敏電阻阻值發(fā)生變化，從而使惠斯通電橋的輸出發(fā)生變化，根據(jù)惠斯通電橋的輸出變化獲得聲場信息。

圖4 聲傳感器微結(jié)構(gòu)模型示意圖

圖5 壓敏電阻的分布連接示意圖

圖6 電阻構(gòu)成的惠斯通電橋圖

MEMS聲矢量傳感器在水介質(zhì)中的應(yīng)用已經(jīng)取得了突破性的進展，其工作原理與制作方法由張文棟等人在相關(guān)文獻中已做了詳細的闡述，應(yīng)用領(lǐng)域也從水中擴展到陸地。本文創(chuàng)新的將MEMS聲矢量傳感器應(yīng)用于管道內(nèi)檢測器地面標(biāo)記的研究中，其主要應(yīng)用于土壤環(huán)境。

3 仿真分析

目標(biāo)方位的估計是聲信號處理中最為關(guān)鍵的步驟。對于單矢量傳感器，我們選用波束形成法。波束形成算法是對傳感器的輸出信號進行加權(quán)、延時、求和等處理進而形成空間指向性，譜峰的最大值即是目標(biāo)方位角。

雖然對于無干擾信號波束形成法有很好的定向能力，但是對于實際應(yīng)用中采集到的信號都會摻雜著各種噪聲信號的干擾。假定噪聲是各項同性噪聲場。仿真在輸入不同信噪比的條件下使用波束形成法對角度估計進行仿真。仿真選取信號為單頻正弦信號，噪聲為零均值的高斯噪聲，信號頻率選為100 Hz，信噪比取－20 dB(模擬管道聲源定向?qū)嶒灂r，信號的信噪比大于－20 dB)，入射角度選為70°與260°。仿真結(jié)果見表1，圖7所示為波束形成計算結(jié)果圖。

表1 噪聲背景下波束形成法角度分析

圖7 波束形成法仿真結(jié)果圖(入射角度分別為70°與260°)

仿真結(jié)果表明在噪聲存在的情況下，波束形成法仍然可以有效地實現(xiàn)對聲源的定位。接下來，我們將討論信噪比對方位測量精度的影響。仿真條件為:保持目標(biāo)方位不變，仍然采用單頻信號，噪聲采用零均值的高斯白噪聲。改變輸入信噪比，輸入信噪比從－10 dB～30 dB變化。實驗結(jié)果見表2所示。

仿真結(jié)果表明:(1)利用波束形成法的總體精度在4°以內(nèi)，但是，信噪比越低，其結(jié)果偏差越大。這可能是因為低信噪比的情況下噪聲大于信號，而噪聲的隨機性又決定了每次測量結(jié)果的不一致性; (2)對于一定的單頻信號，在信噪比大于10之后，定向的精度與離散度會得到一定的保證;(3)波束形成法可以有效的消除干擾噪聲。

表2 不同信噪比下定向結(jié)果

4 實驗驗證

對MEMS聲矢量傳感器在土壤中的定向進行驗證。實驗地點選為山西太原，實驗場地平坦、開闊。實驗時，傳感器桿身垂直于地表向下，敏感頭緊實埋于土壤中(如圖8所示)，確保傳感器與土壤耦合良好。

圖8 傳感器掩埋方式

實驗采用鋼制錘頭敲擊地面的方式模擬聲源。通過對敲擊產(chǎn)生的信號進行運用NI采集卡進行采集、分析，得出頻譜范圍:80 Hz～280 Hz，包含于巡檢裝置在管道中的摩擦信號的頻譜范圍之內(nèi)，在一定程度上可以對實際聲信號進行模擬。

實驗時，如圖9所示，以聲傳感器為圓心，在距離聲傳感器半徑為r的半圓上以10°為等分角，每個等分點代表一個度數(shù)。MEMS矢量聲傳感器放置時，x方向與圖6中的0°重合，y方向與90°重合。

選擇晴天土壤干燥時進行。實驗時，用錘頭均勻敲擊等分點處地面，傳感器將采集到的聲信號轉(zhuǎn)換為電信號，通過數(shù)據(jù)采集卡對其進行采集，進而在MATLAB軟件中處理。實驗數(shù)據(jù)采集卡采用NI公司的PXTe－1071，接線盒為BNC2110。實驗采樣率設(shè)置為10 kHz，共采集10 s。當(dāng)半徑r=3.5 m時，敲擊40°等分點時，傳感器采集到的信號如圖10(a)所示。通過小波去噪對原始信號進行去噪，去噪后的信號如圖10(b)所示。

圖9 實驗方法實驗圖

圖10MEMS矢量聲傳感器采集到的信號

在角度為0～180°之間，以3 m為半徑，以圓心角為10°均等分。每個標(biāo)記點敲擊相同5次，其次，對5次的實驗數(shù)據(jù)進行分析，最終取平均角度，得到的方位估計結(jié)果見表3。

表3 單MEMS聲矢量傳感器定向角度

在角度為0～180°時，傳感器可以較好的實現(xiàn)對聲信號定位。所有角度的測量平均誤差幾乎都小于5°。在0°與180°的誤差較大的原因可能是由于敏感柱體和十字梁封裝工藝的限制造成的。通過上述分析可知，在土壤干燥的情況下，MEMS聲矢量傳感器可以有效的實現(xiàn)對土壤介質(zhì)中聲信號的方位估計。

5 結(jié)論

管道內(nèi)檢測器在管道中運行時產(chǎn)生的聲信號主要集中在幾十赫茲到400 Hz之間，集中在低頻頻段，由于聲波在土壤中的衰減與聲波的頻率成正比，低頻信號衰減相對減少，這為聲傳感器運用于管道內(nèi)檢測器地面標(biāo)記的研究提供了一定的理論基礎(chǔ)。通過實驗，模擬管道發(fā)聲，利用波束形成法進行聲源方位估計，最后得出，在一定的條件下，MEMS聲矢量傳感器可以有效的實現(xiàn)對土壤介質(zhì)中聲信號的方位估計。MEMS聲矢量傳感器應(yīng)用于管道檢測系統(tǒng)的定位研究中得到了初步的驗證。為了更好的發(fā)揮出其高靈敏度、指向性好等特點，還需進一步對其結(jié)構(gòu)與使用方式進行研究，使其更好的與土壤介質(zhì)耦合，達到更精確的定向。

［1］吳曉.基于聲傳感器陣列的油氣管道內(nèi)檢測器地面標(biāo)記跟蹤技術(shù)研究［D］.天津:天津大學(xué)，2010.

［2］郭敏智，楊嘉瑜.當(dāng)代管道輸油技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.中國石化，2004(17):16－20.

［3］梅云新.中國管道運輸?shù)陌l(fā)展與建設(shè)［J］.交通運輸系統(tǒng)工程與信息，2005，5(2):108－111.

［4］崔堯堯.基于聲傳感器陣列的管道內(nèi)檢測器追蹤定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.天津:天津大學(xué)，2011.

［5］陳尚.硅微仿生矢量水聲傳感器研究［D］.太原:中北大學(xué)，2007.

［6］張國軍，陳尚，薛晨陽，等.纖毛式MEMS矢量水聲傳感器的仿生組裝［J］.納米技術(shù)與精密工程，2009，7(3):224－226.

［7］許姣，張國軍，石歸雄，等.纖毛式矢量水聽器新型封裝結(jié)構(gòu)的研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2011，24(4):519－520.

［8］李振，張國軍，薛晨陽，等.MEMS仿生矢量水聽器封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計與研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2013，26(1):25－30.

［9］韓實秋，許寶杰，雷繼剛.剎車裝置摩擦噪聲的動力學(xué)模型及理論分析［J］.北京機械工業(yè)學(xué)院學(xué)報，1999，14(2):1－5.

［10］Yoloi M，Nakai M.A Fundamental Study on Frictional Noise(1st Report).The Generating Mechanism of Rubbing Noise and Squeal Noise［J］.JSME，1981(24):194－199.

［11］韓實秋.汽車剎車裝置摩擦噪聲的試驗研究［J］.聲學(xué)技術(shù)，1998，17(3):117－119.

［12］王馳.基于聲－地震耦合的聲波探雷模型研究［D］.天津:天津大學(xué)，2009.

［13］Chotiros N P.Biot Model of Sound Propagation in Water-Saturated Sand［J］.J Acoust Soc Amer，1995，97(1):199－214.

［14］喬文孝，王寧，嚴(yán)熾培.聲波在兩種多孔介質(zhì)界面上的反射和投射［J］.地球物理學(xué)報，1992，35(2):242－248.

［15］胡恒山，王克協(xié)，劉家琦.孔隙介質(zhì)中快縱波的衰減特性和動力協(xié)調(diào)分析［J］.計算物理，2002，19(3):203－207.

［16］楊頂輝.孔隙各項異性介質(zhì)中基于BISQ模型的彈性波傳播理論及有限元方法［D］.北京:北京石油大學(xué)，1998.

［17］Sun Y F.Core-Log-Seismic Integration in Hemipelagic Marine Sediments on the Eastern Flank of the Juan de Fuca Ridge［C］//Proc Ocean Drilling Program.Scientific Results 168，2000:21－35.

［18］Sabatier J M，Xiang N.Acousic to Seismic Coupling and Detection of Landmines［J］.Geoscience and Remote Sensing Symposium Proceedings，2000(4):1646－1648.

［19］Robert W H，Kenneth D R.Standoff Acoustic Laser Technique to Lacate Buried Land Mines［J］.Linclin Laboratory Journal，2005，15(1):3－22.

劉夢然(1991－)，女，湖北省隨州市人，中北大學(xué)碩士研究生，主要從事微納器件研究及傳感器相關(guān)信號處理，liumengran1991@163.com;

張國軍(1977－)，男，副教授，2001年7月畢業(yè)于華北工學(xué)院自動控制系并留校任教，同年9月被派往清華大學(xué)微電子系進修微電子專業(yè)。2003年考取中北大學(xué)精密儀器及機械專業(yè)研究生，2004.7～2006.7在中國科學(xué)院聲學(xué)研究所做有關(guān)穿孔板結(jié)構(gòu)非線性聲學(xué)方面的研究工作，2012年，在西北工業(yè)大學(xué)攻讀博士;

簡澤明(1989－)，男，湖北荊州人，碩士研究生，主要從事微納器件研究及傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計，精密儀器及機械專業(yè)，jianzemingx@163.com。

管道內(nèi)檢測器聲定位技術(shù)研究*

劉夢然1，2，張國軍1，2*，簡澤明1，2，劉宏1，2，張文棟1，2
(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051;2.中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點實驗室，太原030051)

根據(jù)當(dāng)前對管道檢測系統(tǒng)的需求，基于聲學(xué)原理的管道地面標(biāo)記技術(shù)已成為現(xiàn)今研究的熱點與難點。創(chuàng)新地提出將一種高靈敏度、高信噪比的MEMS仿生聲矢量傳感器應(yīng)用于管道內(nèi)檢測器的地面標(biāo)記中。首先介紹了管道內(nèi)檢測器在管道中的發(fā)聲機理和聲音信號特征。由于聲波的吸收系數(shù)與頻率的平方成正比，所以在低頻時，聲波衰減小，傳播更完整。針對單個聲矢量傳感器，經(jīng)過仿真分析，單聲矢量傳感器具有良好的定向能力。最后，進行現(xiàn)場實驗，繪制出定向角度表，驗證了MEMS聲矢量傳感器應(yīng)用于管道內(nèi)檢測器地面標(biāo)記的可行性。

管道內(nèi)檢測器;MEMS傳感器;聲信號;聲衰減;波束形成

TB212.9

A

1004－1699(2014)04－0500－05

2014－01－01修改日期:2014－03－31

C:2575D

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.04.015

項目來源:國家“863”計劃項目(2011AA040404);國家自然科學(xué)基金項目(61127008);國家自然科學(xué)基金項目(51205374);山西省青年科技研究基金項目(2012021013－3)