聲發(fā)射信號在輸氣管道中的傳播特性研究

吳畏　張國慶　衣粟　孫洪彬　王培東 張英杰

摘 要：通過介紹次聲波在管道中傳播的特點(diǎn)、壓電原理、小波包降噪法來分析聲發(fā)射采集管道泄漏信號的原理，并進(jìn)行了斷鉛實(shí)驗(yàn)，傳感器采集了5個(gè)位置的聲發(fā)射信號，通過分析這些次聲波信號驗(yàn)證次聲波在管道中具有的受環(huán)境影響小、信號損耗低、信號誤報(bào)率低等良好的傳播特性。

關(guān)鍵詞：管道運(yùn)輸;聲發(fā)射;次聲波信號

中圖分類號：TE973

管道運(yùn)輸已經(jīng)成為我國運(yùn)輸液體或氣體物資的一種主要方式，然而管道運(yùn)輸過程中受到管道占壓、腐蝕、老化原因的影響，由于管道內(nèi)外介質(zhì)的化學(xué)、電化學(xué)作用或由微生物的代謝活動，管道逐漸被侵蝕和變質(zhì)，使得管道被腐蝕老化，出現(xiàn)管道泄漏現(xiàn)象[1]。管道泄漏對我國國民生產(chǎn)生活造成極大的損失，及時(shí)檢測到管道泄漏能夠最小化地減少損失，因此管道泄漏檢測具有重要意義。管道泄漏檢測方法有光纖檢測法、負(fù)壓波法、漏磁檢測法、次聲波法（聲發(fā)射檢測技術(shù)）等，其中次聲波檢測是管道泄漏檢測應(yīng)用最廣泛的一種方法。聲發(fā)射檢測技術(shù)具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：精度高，僅探測在外加應(yīng)力結(jié)構(gòu)的下缺陷的活動情況，誤報(bào)的概率低[2]。施工便利，次聲波傳感器與外管壁接觸，方便傳感器安裝的施工與維護(hù)。管道的幾何形狀要求不高，對于任意尺寸的管徑、管壁都適用[3]。

一、聲發(fā)射檢測技術(shù)原理

當(dāng)管道出現(xiàn)裂紋時(shí)，管道材料中由局部應(yīng)力集中源的能量迅速釋放而產(chǎn)生的瞬時(shí)彈性波，這些彈性波包括超聲信號波、可聽信號波以及次聲信號波。聲波信號在管道中的傳播的聲強(qiáng)衰減遵循公式：

上式中I0表示入射初始聲強(qiáng)，Id為深入媒質(zhì)d距離處的聲強(qiáng)，α為衰減系數(shù)，其中聲波波長越長衰減系數(shù)α越小，聲強(qiáng)損耗越小。在實(shí)際的管道泄漏檢測的過程中，由于超聲波與可聽波的波長較短，在長距離運(yùn)輸過程中波長損耗嚴(yán)重，所以適合遠(yuǎn)距離檢測管道泄漏的信號為次聲波信號[4]。

聲發(fā)射傳感器的工作原理為：傳感器采集到的彈性波擠壓傳感器中的壓電陶瓷材料使其變形，壓電陶瓷材料內(nèi)部電荷會產(chǎn)生極化，正負(fù)電荷相反的方向移動，在壓電材料內(nèi)產(chǎn)生電勢差，如圖1所示，從而將運(yùn)動信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，傳入信號處理系統(tǒng)[5]。

實(shí)際的管道現(xiàn)場存在著諸多聲波信號，造成干擾的信號存在造成誤判、漏判，所以，降噪工作是必不可少的。將信號進(jìn)行離散化處理，選擇合適的基函數(shù)，將信號分解，信號頻率可以通過二分法分解為多個(gè)頻段，在每個(gè)頻段內(nèi)對比真實(shí)信號與干擾信號的系數(shù)，干擾信號的系數(shù)小于真實(shí)信號系數(shù)，設(shè)置閾值，小于閾值的值去除，大于閾值的值進(jìn)行保留或收縮處理。

二、聲發(fā)射在管道中的傳播特性試驗(yàn)

在管道上利用鉛筆斷裂時(shí)產(chǎn)生的聲波信號來模擬管道斷裂時(shí)產(chǎn)生的次聲波信號，在距離聲發(fā)射傳感器每隔10厘米的位置，自動鉛筆0.5毫米的鉛芯伸長2.5毫米與管道成30°夾角，用力折斷鉛芯，每個(gè)位置重復(fù)10次。斷鉛實(shí)驗(yàn)?zāi)M聲發(fā)射信號具有方便、快捷、有效等優(yōu)點(diǎn)[6][7]。

實(shí)驗(yàn)所采用到的實(shí)驗(yàn)儀器有聲發(fā)射傳感器（與管道外壁利用聲發(fā)射耦合劑耦合）、信號放大器、信號采集器、計(jì)算機(jī)（軟件處理）。具體的連接順序圖2所示：

實(shí)驗(yàn)共取點(diǎn)50次，排除3次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差（已將數(shù)據(jù)排除），其余數(shù)據(jù)均表現(xiàn)出了聲波良好的傳播特性。選取10cm與50cm兩個(gè)點(diǎn)出的兩幅聲波信號圖：

如圖3以及圖4所示，斷鉛產(chǎn)生的次聲波在管道中具有良好的傳播特性。

三、結(jié)論

論述了聲發(fā)射檢測管道泄漏的原理，實(shí)驗(yàn)中斷鉛在管道附近產(chǎn)生的聲波信號頻率主要集中在100K左右，與聲發(fā)射信號頻率類似，從而驗(yàn)證聲發(fā)射信號在管道中具有受環(huán)境影響小、信號損耗低、信號誤報(bào)率低等良好的傳播特性，可以用作管道泄漏檢測工作。

參考文獻(xiàn)：

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[7]郭力，霍可可.斷鉛筆芯聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)信號研究[J].機(jī)電工程，2018，35（7）：663-667+684.

作者簡介：吳畏（1983— ），男，漢族，安徽壽縣人，本科，工程師，研究方向：壓力容器壓力管道檢驗(yàn)研究。