聲發(fā)射衰減特性管道泄漏定位方法?

張 曦 章蘭珠

(華東理工大學(xué)機械與動力工程學(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)是一種被動的泄漏檢測技術(shù)[1]，它對管道中的缺陷點發(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產(chǎn)生的聲發(fā)射模型，并用實驗進(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，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，連續(xù)聲發(fā)射波形缺乏可以在傳感器之間識別和跟蹤單個事件的時間結(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(在動態(tài)意義上)識別聲發(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中單個事件的方法，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步驟，在精度和效率之間取得了很好的平衡。

與此同時，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，產(chǎn)生聲波并傳播到管道的兩端，過程中因為能量轉(zhuǎn)化會產(chǎn)生衰減，然后由傳感器測量以檢測和定位泄漏。由于流體動力學(xué)的復(fù)雜性，聲場擴散(包括速度變化和振幅衰減)難以識別，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]的實驗及數(shù)據(jù)分析顯示1500 kHz 以下有多個頻帶存在不對稱聲傳輸，驗證了發(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)射衰減模型并實驗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，其振幅和聲壓會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)計算其單位時間內(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為濾波后的時域信號；s(i)為其第i個采樣點的幅值；n=t/fs為采樣點個數(shù)。為表述方便，后文用“能量”代替“單位時間內(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散衰減、散射衰減和吸收衰減3個方面。

擴散衰減指聲波向四周傳播，能量也向四周擴散，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可看作平面波[17]，不存在擴散衰減。

散射衰減指聲波在介質(zhì)中傳播時，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′。實際結(jié)構(gòu)中聲發(fā)射衰減機制十分復(fù)雜，必須在理論分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行實驗驗證。

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，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，當(dāng)測得信號能量值超過無泄漏時的110%，即當(dāng)測得的E(x)大于1.1Es(Es為噪聲能量)時，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，將傳統(tǒng)衰減定位模型直接應(yīng)用在聲發(fā)射信號上會出現(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。

(3)計算各有效節(jié)點衰減系數(shù)，頻率代入各節(jié)點中心頻率。

(4)計算各有效節(jié)點能量值，利用式(9)分別定位，對各節(jié)點定位結(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泄漏信號，定位結(jié)果越準(zhǔn)確。然而實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，本文嘗試增加一個傳感器，則考慮環(huán)境噪聲后3個傳感器能量為

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，運用三傳感器定位模型定位時，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)射源定位模型的實驗驗證

2.1 實驗平臺搭建

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

圖1 實驗管道裝置結(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)氣體由空壓機提供，壓強由減壓閥控制；直管線上設(shè)有6 個直徑為2 mm 的泄漏孔，泄漏狀態(tài)及泄漏量通過針閥和玻璃轉(zhuǎn)子流量計控制；氣體中的水滴和油滴在通過油水分離器時被清除。

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個信號通道同時進(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，檢測得到信號時域圖2所示，可以看出，有泄漏時信號的幅值比無泄漏時有所增加，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，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個節(jié)點能量變化在250%以上，[5,2]和[5,6]兩節(jié)點的能量變化在50%以上，其余節(jié)點能量變化都不超過10%。根據(jù)泄漏閾值，認(rèn)為泄漏信號能量主要集中在這5 個節(jié)點，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)測量實驗框圖。實驗時，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)可計算實際聲發(fā)射衰減系數(shù)。

圖4 聲發(fā)射衰減系數(shù)測量實驗框圖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，兩傳感器接收信號的時域圖，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。實驗結(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，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)射源定位模型實驗驗證

2.3.1 聲發(fā)射源定位實驗

定位實驗傳感器布置如圖7所示，傳感器與泄漏源距離如表2所示。實驗分為兩部分：第一部分研究寬頻帶定位模型的定位精度，使用兩個傳感器，實驗結(jié)果如表3所示，其中誤差為預(yù)測泄漏位置與實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傳感器后對定位精度的影響，實驗結(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，代入實驗一的信號得到結(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)合實驗驗證的衰減模型，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，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 個百分點，尤其在泄漏率為60 mL/min時減小了8個百分點；

(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；若要減少計算量及節(jié)省存儲空間勢必使得采樣時間過短，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)點之間的頻率會有混疊，需對信號處理方法進(jìn)一步改進(jìn)。(4)實驗誤差：泄漏通過閥門開啟實現(xiàn)，泄漏量通過流量計確定。雖然操作過程中已盡量模擬實際中的工況，但誤差難免存在，造成信號數(shù)據(jù)的浮動。

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?？紤]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，并利用實驗得到了準(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)點中心頻率計算衰減系數(shù)，從而提高定位精度。實驗證明使用寬頻帶定位模型時，定位誤差平均減小5 個百分點，在泄漏率為60 mL/min時可減小8個百分點。

(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傳感器，利用3 組信號互相做差的算法提高定位精度。實驗證明，增加一個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算聲波衰減系數(shù)時，簡單地使用各小波包節(jié)點的中心頻率，未考慮各節(jié)點內(nèi)部各頻率成分能量的分布，這可作為進(jìn)一步研究方向。