航天器在軌泄漏聲發(fā)射信號特征分析

綦 磊，孟冬輝，閆榮鑫，孫立臣，孫 偉，李 征，郎冠卿

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

隨著空間科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和載人航天工程的發(fā)展，航天器的在軌安全防護(hù)有了更高的要求。由于航天器在發(fā)射入軌和運(yùn)行過程中將受到振動(dòng)、真空、高低溫交變、微流星及空間碎片、原子氧、太陽輻射及宇宙射線的作用，艙體和密封結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生松動(dòng)、變形、表面氧化、腐蝕、損傷甚至穿孔等而引發(fā)泄漏事故，這就需要有一種在軌泄漏檢測方法并評估泄漏量的大小。

目前，國外的航天器在軌檢漏技術(shù)根據(jù)原理不同，主要分為光學(xué)法、壓力變化法、電阻變化法、氣體電離法等。這些方法都有各自的優(yōu)點(diǎn)，但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作不便、檢漏靈敏度低等原因，無法完全滿足工程需要。

聲發(fā)射檢測是一種新型無損檢測技術(shù)，主要利用材料本身能量釋放產(chǎn)生的彈性波來判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生撞擊、腐蝕、開裂、泄漏等現(xiàn)象。隨著高速數(shù)字采集系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，聲發(fā)射檢測技術(shù)發(fā)展迅速，并取得一定的研究成果。Lacidogna 和Kramadibrata 等人[1-2]將聲發(fā)射檢測與電磁檢測相結(jié)合，并應(yīng)用于道路、橋梁的受力檢測；哈躍、劉志勇等人[3-4]通過研究玄武巖纖維布損傷，將聲發(fā)射檢測技術(shù)應(yīng)用于材料疲勞性分析；王偉魁和杜剛等人[5-6]提出一種基于聚類和頻譜的分析方法，將聲發(fā)射檢測技術(shù)應(yīng)用于天然氣、石油儲(chǔ)罐的腐蝕檢測；焦敬品等人[7]對管道泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號進(jìn)行研究，分析了漏孔粗糙度對聲發(fā)射信號特征的影響，并采用互相關(guān)理論對漏孔進(jìn)行了定位。美國愛荷華州立大學(xué)的Holland 等人[8-10]研究了泄漏聲發(fā)射信號在薄板中的傳播情況，并利用時(shí)空傅里葉變換初步進(jìn)行了泄漏源的定位計(jì)算。

本文將頻譜分析法和特征參數(shù)分析法相結(jié)合，對不同孔徑圓形漏孔泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號進(jìn)行研究，得到了信號的頻譜和特征參數(shù)。

1 聲發(fā)射檢測原理

根據(jù)氣動(dòng)聲學(xué)理論，氣體在壓力差的作用下從密封結(jié)構(gòu)中沿泄漏通道向低壓環(huán)境中泄漏，介質(zhì)穿過微小孔隙時(shí)，其流速較高，形成湍流，氣流中包含的大量旋渦不斷膨脹、碰撞、破裂，從而在漏孔附近產(chǎn)生一定頻率的聲波[11]。通過耦合在結(jié)構(gòu)壁上的聲發(fā)射傳感器，對聲發(fā)射信號進(jìn)行特征分析，可實(shí)現(xiàn)泄漏檢測和漏率評估。

特征參數(shù)分析法是聲發(fā)射檢測中常用的信號處理方法，通過分析上升時(shí)間、振鈴個(gè)數(shù)、有效值電平等提取聲發(fā)射信號波形特征參數(shù)。該方法適合分析應(yīng)力、撞擊等高信噪比的突發(fā)型聲發(fā)射信號。而泄漏聲發(fā)射信號為連續(xù)型信號，容易受噪聲干擾。頻譜分析能夠提取可用頻帶內(nèi)信號，克服低頻噪聲的影響。本文采取頻譜分析和特征參數(shù)分析相結(jié)合的方法對泄漏聲發(fā)射信號展開研究。

2 泄漏檢測實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

為了開展原理實(shí)驗(yàn)研究，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，由泄漏模擬系統(tǒng)和信號采集系統(tǒng)組成。

2.1 泄漏模擬系統(tǒng)

泄漏模擬系統(tǒng)主要由機(jī)械泵、抽氣管、真空計(jì)和帶漏孔平板組成，如圖1所示。該系統(tǒng)可提供1.0、1.5、2.0 mm 三種不同直徑的圓形漏孔，最小漏率為1 Pa·m3·s-1。

2.2 信號采集系統(tǒng)

信號采集系統(tǒng)是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的核心部分，由前置放大器、信號采集儀和計(jì)算機(jī)等組成，如圖2所示。其中，信號采集儀為DS2-16A 全信息聲發(fā)射信號分析儀，具體參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用MATLAB 軟件離線處理。

圖2 信號采集系統(tǒng) Fig.2 The signal acquisition system

表1 信號采集儀的主要參數(shù) Table1 Parameters of the signal acquisition instrument

2.3 聲發(fā)射傳感器

聲發(fā)射傳感器應(yīng)靈敏度高，頻帶范圍寬，頻響曲線盡量平滑，吸收點(diǎn)盡量少。本實(shí)驗(yàn)選擇了4 種典型聲發(fā)射傳感器進(jìn)行比較，分別為R3I-ast、wsα、Nano 30、RS-2A 傳感器。其中，wsα 為寬頻型諧振傳感器，其余3 種為單一諧振頻帶型傳感器，它們的實(shí)物如圖3所示，頻響曲線如圖4所示。

圖3 聲發(fā)射傳感器 Fig.3 The acoustic emission sensors

圖4 不同聲發(fā)射傳感器的頻響曲線 Fig.4 The frequency response curves of four different acoustic emission sensors

通過分析可知，R3I-ast 的可信頻響區(qū)間為1～100 kHz，wsα 為100 kHz～1 MHz，Nano 30 為100～400 kHz，RS-2A 為10～300 kHz?？紤]到泄漏聲發(fā)射信號主要集中在300 kHz 以下，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)最終選用RS-2A 傳感器。

3 聲發(fā)射信號特征分析

根據(jù)本實(shí)驗(yàn)所采用的現(xiàn)場裝置，當(dāng)形成實(shí)際泄漏時(shí)，機(jī)械泵對聲發(fā)射檢測帶來的影響也是客觀存在的，因此要實(shí)現(xiàn)泄漏聲發(fā)射信號特征分析，首先要測量機(jī)械泵工作時(shí)形成的背景噪聲的分布情況。圖5為利用傳感器所測得的機(jī)械泵運(yùn)行背景噪聲的時(shí)域及頻域信號。從圖中可以看出，機(jī)械泵振動(dòng)產(chǎn)生的信號幅值約為60 mV，頻率主要分布在 10 kHz 以下。因此，在進(jìn)行泄漏聲發(fā)射信號特征分析時(shí)，應(yīng)首先對信號進(jìn)行10 kHz 高通濾波，把機(jī)械泵的噪聲信號去除，獲得較為純粹的泄漏聲發(fā)射信號。

圖5 機(jī)械泵運(yùn)行時(shí)本底噪聲信號波形及頻譜 Fig.5 The acoustic emission waveform and frequency spectrum of the operating vacuum pump

利用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，分別采集1.0、1.5、2.0 mm三種不同直徑漏孔所激發(fā)的聲發(fā)射信號，進(jìn)行10 kHz高通濾波后得到的時(shí)域及頻域信號如圖6所示。

圖6 不同直徑漏孔激發(fā)的聲發(fā)射信號時(shí)域波形及頻譜 Fig.6 The acoustic emission waveform and frequency spectrum of three different leak apertures

從圖6可以看出，3 種不同直徑漏孔的泄漏都能激發(fā)出大量聲發(fā)射信號。1.0 mm 直徑漏孔的信號平均幅值為30 mV，頻率分布廣泛，在20～ 60 kHz、150～200 kHz、250～300 kHz、350 kHz附近、390 kHz 附近形成了5 個(gè)明顯頻帶；1.5 mm直徑漏孔的信號平均幅值為70 mV，頻率分布較為 廣泛，在20～70 kHz、110～130 kHz、160～180 kHz、270～290 kHz 形成了4 個(gè)明顯頻帶；2.0 mm 直徑漏孔的信號平均幅值為250 mV，頻率分布集中，在20～180 kHz 形成了明顯頻帶。通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可以得出以下結(jié)論：隨著漏孔直徑的增大，泄漏聲發(fā)射信號的幅值明顯增加，高頻成分所占比例明顯變小。因此，可以通過研究特定頻率內(nèi)聲發(fā)射信號的特征參數(shù)來評估泄漏量。

常用的連續(xù)型聲發(fā)射信號特征參數(shù)包括信號幅值（Amplitude）、平均信號電平（ASL）、信號能量（Energy）和有效值電壓（RMS）等。信號幅值指每段信號中信號的最大值，平均信號電平指每段信號中信號絕對值的平均值，信號能量和有效值電壓分別指每段信號的能力值和有效值。對1.0、1.5、2.0 mm 三種不同直徑的漏孔，分別采集長度為8 ms的泄漏聲發(fā)射信號，并對信號進(jìn)行20～60 kHz 帶通濾波。為了考察特征參數(shù)的穩(wěn)定性，將長度為8 ms的信號均分為25 段再進(jìn)行特征參數(shù)分析，結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出，通過上述4 種參數(shù)均可以有效地區(qū)分出不同直徑的漏孔，其中利用平均信號電平、信號能量和有效值電壓進(jìn)行區(qū)分的結(jié)果更加清晰、穩(wěn)定。

圖7 不同直徑漏孔的聲發(fā)射信號特征參數(shù)Fig.7 Characteristic parameters of acoustic emission signals from different aperture leakage sources

4 結(jié)論

載人航天器在軌泄漏將危及載人航天的安全，及時(shí)準(zhǔn)確地檢測出漏孔的存在及其位置至關(guān)重要。本文采用頻譜特性和特征參數(shù)相結(jié)合的方法對不同直徑漏孔的泄漏聲發(fā)射信號進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

1）泄漏聲發(fā)射信號是一個(gè)寬頻信號，其能量主要集中在400 kHz 以下范圍內(nèi)，且漏孔越小，泄漏產(chǎn)生的聲發(fā)射信號能量越小，高頻成分所占比例越大；

2）機(jī)械泵運(yùn)行等背景噪聲多為10 kHz 以下低頻噪聲，對聲發(fā)射信號進(jìn)行10 kHz 高通濾波便可去除背景噪聲；

3）通過泄漏聲發(fā)射信號特征分析，可以實(shí)現(xiàn)航天器在軌泄漏的檢測及泄漏量評估，其中平均信號電平、信號能量和有效值電壓參數(shù)更加清晰、穩(wěn)定。

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