（机械电子工程专业论文）压力管道泄漏声发射源定位的实验与算法研究.pdf

摘要 管道泄漏源定位是石油、化工、天然气和城市供水等领域中需要解决的重要 问题之一。正确认识管道泄漏信号，找到泄漏源定位的方法，实现对管道泄漏点 的精确定位，对于维护管网的安全运行，避免资源的浪费，有着重要的理论意义 和应用价值。本文在研究管道泄漏信号的产生机理、信号传播规律的同时，对已 有的泄漏源定位方法的可行性进行验证，并进行了新的定位算法的研究。具体包 括以下工作： 1 建立了一套充液管道泄漏声发射检测系统，包括管道泄漏模型和声发射检测 装置职部分。利用该系统，研究了管道内填充介质的压力、管道内填充的介 质、漏孔的大小、模拟泄漏孔的材质、漏孔壁的粗糙度等因素对产生泄漏声 发射信号的影响；研究了传播距离、管道法兰联结件等因素对泄漏声发射信 号衰减的影响。 2 研究了采用互相关方法进行泄漏声发射信号的时延估计。研究表明：在背景 噪声较小的环境中，采集低频信号用互相关法能够有效地进行空气管道和水 管道的泄漏源定位。 3 针对在某些特定背景噪声情况下，特别是当干扰为卷积干扰时，传统互相关 方法往往无能为力的情况下，采用广义倒谱法进行信号的时延估计。研究表 明：该算法对突发型声发射信号的时延估计有较好的效果。 4 对基于时频变换的双传感器泄漏声发射源定位算法进行了实验分析，利用结 构频散特性提取单一导波模态，减小声发射信号多模态和频散特性对定位的 不利影响，较好地实现了两个传感器间的泄漏源的定位。 5 在双传感器时频变换定位算法基础上，利用结构的多模态频散特性信息，通 过对单一传感器接收到的泄漏声发射信号进行时频分析的方法，从中提取两 个导波模态的泄漏声信号，并由其构造单传感器泄漏声发射源定位算法模 型，从而利用单个传感器实现了泄漏声发射源的定位。该算法是对双传感器 时频定位算法的必要补充。 关键词：泄漏定位；声发射；互相关；时延估计 a b s t r a c t t h el e a k a g eo ft h ep i p ei so n eo i lt h ei m p o r t a n t p r o b l e m sf a c e db yt h eo i l ，c h e m i c a l ， n a t u r a lg a s ，w a t e rs u p p l ya n do t h e ri n d u s t r i e s i ti sn e c e s s a r yt oa n a l y z et h ea c o u s t i c l e a k s i g n a l sm o r ee f f e c t i v e l ya n dl o c a t et h el e a km o r ep r e c i s e l y , w h i c hm a yb e b e n e f i c i a lt om a i n t a i nt h es a f e l yr u n n i n go f p i p e l i n ea n da v o i dt h ew a s t eo fr e s o u r c e i nt h ep a p e r , t h ef o r nm e c h a n i s ma n dt h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h ea c o u s t i c l e a ks i g n a li sr e s e a t c h e d ，a n dt w ol e a kl o c a t i o nt e c h n i q u e sa r ea l s oi n v e s t i g a t e d t h e w o r ki nt h i sp a p e ri n c l u d e s ： f i r s t l y ，d e s i g n e d a n ds e t u p a s y s t e m o f a c o u s t i c e m i s s i o n ( a e ) p i p e t e s t i n g ，i n c l u d e p i p e l e a k s i m u l a t e d e q u i p m e n t a n da c o u s t i ce m i s s i o i l t e s t i n ge q u i p m e n ts o m e f a c t o r st h a ti n f l u e n c et h e g e n e r a t i o na n da t t e n u a t i o no f t h el e a ka es i g n a la 珲r e s e a r c h e d 。i n c l u d i n gt h ei n t e r n a lp r e s s u r e o f p i p e ，n a t u r eo f t h ef i l l e r , t h ed i a m e t e ro fl e a kh o l e ，n a t u r eo ft h es i m u l 舐v el e a kh o l e ，t h e r o u g h n e s so f i n n e rs u r f a c eo f t h el e a kh o l e ，t h ed i s t a n c ep r o p a g a t e d , f l a n g ee x i s t e di np i p ea n d s o o n s e c o n d l y , r e s e a r c h e d t i m ed e l a ye s t i m a t i o no fl e a ka e s i g n a lw i t hc r o s s c o r r e l a t i o n i ti si n d i c a t et h a ti nl o wn o i s ee n v i r o n m e n ts a t i s f a c t o r yr e s u l t sc a nb eo b t a i n e db y c o s s - c o r r e l a t i o na n a l y z et h el o w f r e q u e n c yc o m p o n e n t i na e s i g n a l t h i r d l y u n d e rs o m es p e c i f i cn o i s ec o n d i t i o n ，e s p e c i a l l yo nt h ec o n d i t i o nw h e r e t h e i n t e r f e r e n c ei sc o n v o l u t i o ns i g n a l ，g e n e r a l i z e dc e p s t r u mc a nb eu s e dt oe s t i m a t et h e t i m e d e l a y o ft w oa es i g n a l s ，w h i l et h et r a d i t i o n a lc r o s s - c o r r e l a t i o n a n a l y s i s i s d i s a b l e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e a l g o r i t h m i s a p p r o p r i a t e f o r c a l c u l a t i n g t h et i m e d e l a yo f o u t b u r s ta e s i g n a l s f o u r t h l y t w o s e n s o rl e a k l o c a t i o ne x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e db yt i m e f r e q u e n c y a n a l y s i s b a s e do n t h ed i s p e r s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fg u i d e dw a v e sp r o p a g a t i o ni nt h ep i p e , a s i n g l em o d ei s i s o l a t e df i - o mt h ea c o u s t i cl e a ks i g n a l sb yt i m e f r e q u e n c ya n a l y s i s t h ef i n a l r e s u l t ss h o w e dt h a tt h em e t h o dc o u l dr e d u c et h em u l t h n o d ea n d d i 茸l e r 9 ei n f l u e n c eo n t h ea e s i g n a l se f f e c t i v e l ya n d l o c a t et h el e a ks o u r c ec o r r e c t l y f i f l n y o nt h eb a s i so f t h et w o - s e n o r1 e a kl o c a t i o nt e c h n i q u e al e a kl o c a t i o nt e c h n i q u e w i t ho n es e n s o ri sb r o u g h to u tb a s e do nt h ed i s p e r s i o nc h a r a c t e r i 蛳c so fg u i d e dw a v e s p r o p a g a t i o n i nt h e p i p e ，t w o m o d e sa r ei s o l a t e df r o mt h e a c o u s t i cl e a k s i g n a l sb y t i m e - f r e q u e n c ya n a l y s i s u s i n gt h et w om o d e s i s o l a t e df r o mt h es a n l es i g 皿a l ，al e a kl o c a t i o n m o d e lw i t ho n es e d s o ri se s t a b l i s h e d t h ee x p e r i m e n t sd e m o n s t r a t et h ev a l i d i t yo f 妇o n e s e n s o rl e a kl o c a t i o n t h eo n es e n s o rl e a kl o c a f i o nt e c h n i q u er e d u c e st h en u m b e ro fs e l i s o r n e e d e da n di sa n e c e s s a r ys u p p l e m e n tt ot h et w o s e n s o r1 e a k1 0 c a t i o nt e c h n i q u e k e y w o r d s ：l e a kl o c a t i o n ；a c o u s t i ce m i s s i o n ；c r o s s c o r r e l a t i o n ；t i m ed e l a y e s t i m a t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：龇燃日期 关于论文使用授权的说明 沁蠢，3 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：盏l 盘查查兰! 导师签名：受丛隔壁：! ：墨 1 1 本课题的研究背景 第一章绪论 管道系统广泛应用于电力、石油、化工、天然气以及城市自来水等 - , i k 部 门中。工业管道经长期使用会产生腐蚀、裂纹、疲劳破坏等损伤，缺陷管道长期 漏检或维修不及时最终会导致管道的泄漏事故发生。因此，对管道进行监测和诊 断就成为了无损检测技术应用研究的重要内容。目前，我国建设的输油和输气管 道已经达到3 0 万余公里，且正以1 0 0 0 2 0 0 0 公里年的速度铺设新管线【”。随着 近年国家经济的快速发展，对管道运输的需求将更加迫切。管道泄漏事故频频发 生，不仅造成经济上的巨大损失，而且严重污染环境、影响生态平衡。现在我国 大多数石化管道已进入事故多发期，如何做到防患于未然，搞好管道检测工作已 成为当务之急。除了石化管道以外，自来水管网泄漏的检测和维修是城市给水工 程的一个重要环节，而地下管网泄漏现象，不仅在国内存在，在大多西方国家也 很普遍。据国际给水协会( i w s a ) 1 9 9 7 年的调查报告表明但1 ，管网泄漏量占给 水总量的2 0 3 0 ，一些陈旧的给水系统的泄漏量甚至多达5 0 。因此，研究 管道泄漏无损检测方法及泄漏源定位技术，具有重要的理论意义和实用价值。 尽管常规无损检测( 如超声检测爬机、漏磁检测爬机等) 3 - 6 1 技术较为成熟， 检测精度较高。但常规无损检测技术有着致命的弱点：检测过程为逐点扫描式， 检测效率低，难以有效地检测成千上万公里的工业管道。声发射( a c o u s t i c e m i s s i o n 简称a e ) 技术是一种动态无损检测方法，可以实现对结构区域或整 体的大范围检测，检测效率很高。 随着新的声发射理论、检测技术和声发射检测仪器的出现，传统声发射检 测技术的局限有了新的重大突破口。模态声发射( m o d a la e ) 是声发射技术与 导波理论相结合发展起来的声发射检测新技术【7 l ，这种理论考虑了声发射信号的 多模态和频散特性，对声发射技术中存在的的声发射源定位不准确、声发射信号 解释困难等问题有了更清晰的解释。由于导波本身的特性( 沿传播路径衰减很 小) ，管道泄漏信号可以沿构件传播比较远的距离，利用这一特性，可以实现对 北京 业大学工学琐士学位论文 _ i i l _ 在役管道的长距离、大范围检测。管道泄漏的模态声发射技术研究已成为当前学 术界的热点问题。 管道泄漏的源定位问题仍然是泄漏检测的主要目的之一，也是该问题的难 点。对此问题研究的突破将有更实际的意义。 1 2 声发射泄漏检测的原理 声发射是指材料或结构受内力或外力作用产生形变或断裂，以弹性波形式 释放出应变能的现象【8 】。压力管道或容器等泄漏所激发的应力波源与变形、断裂 无直接联系，在泄漏过程中，管壁只是波导，本身不释放能量，因而泄漏不是严 格意义上的声发射现象，而是目前已经拓宽定义的广义声发射现象。由于泄漏点 液体泄漏同样也会在管壁中激发出应力波，因而泄漏源被称为二次声发射源。通 过该应力波可以描述材料结构上的某种状况。 充液管道泄漏孔处，流体因内外 压力差而向外喷射，摩擦管壁并产生 振动信号，以应力波的形式沿管壁传 播；通过传感器拾取应力波信号，输 送到专用的信号采集和分析系统中进 图1 1 声发射技术检测原理 行处理分析，实现对泄漏有无的判断及其定位。其检测原理如图1 1 所示。 1 3 国内外声发射技术研究现状及进展 对地震、山鸣、瓦斯突出等a e 的研究已经有很长的历史，但从二十世纪三 十年代才真正开始了有意识的测量伴随破坏的弹性波，此时并没有被称为a e ， 而是被称为具有各专业特征的属语，如应力波发生、微震活动【9 j 。现代声发射技 术研究的历史真正开始于二十世纪五十年代。5 0 年代初，德国人k a i s e r 对多种 金属材料的声发射现象进行了详尽的研究并发现了后来以其名字命名的声发射 不可逆效应凯撒效应1 8 , 1o 】。这一效应在工业上得到了广泛应用，成为用声发 射技术监测结构完好性的依据。6 0 年代中期，美国人d t m e g a n 等把声发射的测 试频率范围移到超声频段( 数十到数百千赫) ，大大削弱了背景噪声的影响，为 声发射的实际应用打下了良好基础。到7 0 年代，声发射技术经历了一段蓬勃发 第一苹绪论 展的阶段。在此期间，声发射波传播理沦研究及声发射传感器的校正理论和实验 技术方殛都取得了很大进展。我国对声发射技术的研究和应硝始于7 0 年代。鉴 于8 0 年代前人们在声发射信号处理方面的能力限制，以及对声发射源性质和声 波产生后到达传感器过程中的传输特性等的认识缺少应有的深度，在实验结果的 重复性和可靠性等方面存在不少问题，8 0 年代初声发射技术曾陷入低谷。8 0 年 代末9 0 年代初，由于计算机和信号处理技术的迅速发展，声发射技术又一次处 于稳步发展阶段。时至今日，声发射技术已变得日趋成熟，其应用范围已覆盖航 空、航天、铁路、汽车、加工业、建筑、石化和电力等几乎所有领域。 1 3 1 声发射仪器的研制 声发射仪器的研究始于5 0 年代末6 0 年代初【l ”，经过几十年发展，声发射 仪器在设计、构造与性能上都发生了巨大的变化。 第一代多通道声发射仪器出现在7 0 年代，这一阶段的声发射仪器主要是将 形成各种a e 特征量输出的多通道硬件模块插在一个容纳箱内，通过内部总线与 当时流行的一台标准小型计算机相连。这个阶段声发射仪器除了工作速度和存储 能力不足外，最大缺点来自性能很差的总线结构。常常由于某个a e 信号独占 c p u 资源而使系统处于锁闭状态。 8 0 年代初出现的第二代声发射系统，把数据采集功能和显示、存储及计算 功能担分离。加快了数据的存储和处理能力，在实时显示方面也有了一些改进。 但在对诸如纤维增强复合材料的复杂a e 检测方面仍存在困难。 第三代声发射系统起始于8 0 年代末，采用了分布式并行处理技术。在各个 单元间配置了有效的通讯途径以实现快速信息转换和缓冲，避免了由于通道接口 的瓶颈效应而造成数据的死锁和丢失，a e 数据处理能力可达每秒几千波击事件 ( h i t ) 以上。 进入9 0 年代，随着高速a d 及有关集成电路( i c ) 芯片性能的太幅度提高 和价格的大幅度下降，声发射检测系统进入了全数字式时代。全数字a e 检测系 统最大的特点是放大后的a e 信号不必再经过一系列的模拟、数字电路才形成数 字特征量，这样做的好处是数字信号具有良好的抗干扰特性，信息能够准确地发 送、传递而无畸变，没有模拟器件离散等因素产生的数据不一致，从而使仪器的 北京工业大学工学硕士学位论文 可靠性得到更好的保证。另外，数字化的a e 信号中特征量的提取比模拟方法容 易实现，如采用模拟方法很难在严格意义上给出a e 信号的能量和均方根值 ( r m s ) 值，而在数字信号的基础上却容易实现。数字化后的a e 信号保留了更 多的a e 信息，也为信号分析和特征提取提供了更大的开发潜力。 1 3 2 声发射的实验研究 国内外对于管道泄漏的声发射实验研究已有不少报道，但尚处于实验室研究 阶段，现场应用还需进一步完善。 霍臻【】2 】等人通过实验的方法得到充液管道泄漏的声发射信号均方根值随压 力变化的关系曲线，并指出要获得较高检测灵敏度的压力范围和孔径条件。 t a d e jk o s e l ，i g o rg r a b e c 13 】在实验室研究了气体泄漏声发射信号的特点，通 过滤波和相关分析的方法实现了声发射源的定位。 ma m a n d ac l a r k ，l a n c ee r e w e r t s 1 4 1 通过实验的方法研究了地埋管道中管 道周围介质对声发射信号在传播过程中的影响，并得到声发射信号能量主要部分 的频谱范围。 m i n r a e l e e ，j o o n - h y u nl e e 【 将声发射技术用于管线的泄漏检测，采用了 基于信号幅度衰减和时间行程两种不同方法对泄漏源定位进行定位。比较了两种 方法的定位效果，认为基于衰减的方法对于泄漏检测更为有效。 r k m i l l e r 等 i q 建立了一种参考标准，用于管线泄漏的声发射检测装置的搭 建和评价。该参考标准不仅对声发射设备的检查很有效，而且作为一种综合的声 发射源定位方法有利于对泄漏源的识别。试验在一定压力和注入不同气体的条件 下研究了利于环保的临界微小泄漏率的小泄漏，并进行了有效定位。 o s a m a h u n a i d ，w i n gt c h u 1 7 1 在一定实验条件下模拟塑料管道的多种泄漏形 式，并对其泄漏信号的声特征进行研究，包括声信号或振动信号各频率成分的特 征，即各频率成分与泄漏形式、流量、管压的关系，以及衰减率和波速与频率之 间的关系。对泄漏信号的特征研究有助于设计合适的检测系统，确定传播速度和 实现泄漏源的精确定位。 r l o n g ，k v i n e ，m j s l o w e 1 8 l 通过实验的方法研究了地埋充水铸铁管道中 声发射信号传播的特征：在距离声发射源较近的长度范围内，接收到的声发射信 第一章绪论 i i 号的主要模态为高度频散的f ( 1 ，1 ) 模态，在距离声发射远较远的地方接收到的 声发射信号主要为频散现象较小的o r 模态。 1 3 3 声发射信号分析方法的研究 随着计算机技术和传感器技术的发展，声发射检测信号分析方法已由简单的 参数分析发展到如今的波形分析。波形分析是通过分析所记录的信号时域波形来 获取声发射信号中所蕴含信息的一种方法。在波形分析中，信号处理方法是提取 波形信息的重要手段，是声发射检测方法中重要的一个环节，其目的是获得声发 射源的有关信息( 如声发射源的特征、位置) 。关于声发射信号的分析，国内外 的研究主要集中在神经元网络、小波分析、相关分析等几个方面。 神经网络 唐秀家、颜大椿【l9 | 研究了管道泄漏后形成多相湍流所引发的应力波在管道 中的传播机理，分析了泄漏引发的管道横振、纵振和圆环振动，提出了一系列应 力波提取指标及离散数据算法。提出了以泄漏信号特征指标构造神经网络输入矩 阵，建立对管道运行状况进行分类的神经网络模型以检测管道泄漏事故的发生。 李家林2 0 1 提出一种对声发射源活动情况进行模态识别的方法。该方法以裂 纹的形成、扩展和新裂纹产生三个阶段为声发射源，通过对声发射信号进行采样 和分析，利用不同类型的人工神经网络进行模态识别，以判断裂纹的危害程度。 i g o rg r a b e c ，t a d e jk o s e l 2 l 】等人对声发射中的声源定位这类逆1 - 7 题的经验处 理办法进行了阐述，并将其应用到连续声发射信号的源定位中。将连续声发射现 象当作一个随机过程处理，这个随机过程可以通过声源坐标和声发射的相关函数 来描述。由一系列样本所得到的数据形成声发射现象的经验模型。模型的形成过 程中，声发射信号由位于试件特定位置的声源发出，记录的超声信号与声源坐标 一起输入到神经网络中，神经网络的第一层决定信号与信号的形式以及源坐标数 据向量的相关函数，在网络的第二层，利用输入的数据向量并通过自组织学习过 程形成一系列原形向量。为了在学习过程完成之后，网络可以通过检测到的声波 信号确定声源位置，传感器提供声发射信号，由神经网络确定相应的相关函数并 使之与声源坐标相联系，这种相互关系通过网络第三层的非参数归一化分析方法 来实现。 北京， 业大学一亡学硕士学位论文 h i r o n o b u y u k i 2 2 等人1 9 9 6 年在研究材料中裂纹缺陷特性时，利用神经网络 对声源波形进行分析以得到声发射源的信息，考虑到训练网络时需要用到套已 知的声源波形以及检测波形，在实验中他们利用传统的压电陶瓷换能器来模拟声 发射源以获得相关的数据对网络进行训练，再利用训练好了的神经网络对声源进 行定性和定量分析，取得了满意的效果。 李家林、马羽宽、董支朝 2 3 】等人提出了利用人工神经网络对信号进行剔噪的 方法。根据自适应滤波器的特点以及b p 网络的工作原理及应用过程中存在的一 些问题，将传统的b p 算法进行了适当的改进，用训练好的神经网络对声发射信 号进行剔噪处理，效果比较理想。 小波分析 小波变换是近2 0 年来发展起来的一种信号处理方法，与信号的时域分析和 频域分析不同的是，小波变换具有同时在时域和频域表征信号局部特征的能力， 既能够刻划某个局部时间段信号的频谱能力，又可以描述某一频谱信息对应的时 域信息。这对于分析含有瞬态信息的声发射信号是最合适的。 张平、施克仁等【2 4 】在综合描述声发射信号的特点和小波变换的基本原理基 础上，结合实例介绍了小波变换在声发射信号的特征提取，时域分析和噪声去除 等三个方面的应用。田增国、陈翠梅 2 5 ，李录平、邹新元【2 6 1 ，刘镇清、黄瑞菊27 1 ， 杨建波1 2 8 】等给出了小波分析技术在声波信号分析中的应用，王健【2 9 】等将小波分 析技术与人工神经网络技术相结合用于复合材料中波形的模式识别，具有较高的 正确识别率。蔡正敏、吴浩江【3 i j 】利用小波变换的方法对泄漏信号进行去噪处理， 提高了管道泄漏的检测精度。 q i n g q i n gn i ，m a s a h a r u1 w a m o t o 3 1 】深入检测了单纤维复合材料的破裂过 程，研究了声发射信号的衰减与频率相关的特性。证实了采用小波变换处理声发 射信号，能有效地发现纤维断裂处的微失效模式和包括微失效顺序及微失效间的 相互恶化感应影响在内的微失效机制。 g a n gq i 3 2 1 介绍了最新发展起来的基于小波变换方法的信号处理技术在复合 材料中裂纹行为研究中的应用，将其与传统的声发射技术进行了比较，结果证实 了基于小波变换方法的分析结果比利用传统分析方法得到的结果更接近于实际 情况。 第一苹绪论 h c p a r k ，d - s k i m l 3 3 1 利用小波变换方法对多层结构中声波信号进行了分 析，得到了相速度和群速度的频散关系，分析结果与理论计算吻合较好。 h y u n j oj e o n g ，y o u n g s uj a n g 3 4 4 6 】用小波变换方法对板结构中声发射信号的 频散特性进行分析，较好地得到了波到达传感器的时间，实现了声发射源的精确 定位。 虽然连续小波变换已经广泛用于波的频散分析，但连续小波变换( c w t ) 相对于其它频谱分析工具，如：短时傅立叶变换( s t f t ) 的有效性似乎还缺少 理论证明。y o o n y o u n g k i m ，e u n g h u n k i m i ”l 通过对特定频散的弹性波的c w t 和s t f t 的时频分析进行对比，从理论和实验上证明了c w t 的有效性。 相关分析 相关分析是在噪声背景下提取有用信息的有效方法之一。通过两个信号波形 的互相关函数来求两信号到达测点的时差，进而可获得声源位置或信号传播速度 信息。目前相关分析和其他分析方法相结合使用的研究较多。 黄文，毛汉领等叫研究互干h 关分析在水管泄漏源检测中的应用，证实水管泄 漏互相关检测技术是适用可行的。 王潜龙，冯全科等f 3 9 采用声发射技术和小波理论相结合的方法对管道泄漏点 的定位进行了研究，采用小波包分解数据信号并重构得到不同频段的数据，选取 两信号的同频段数据作互相关分析。结果表明该方法优于直接互相关，提高了信 噪比，具有较强抗干扰能力，并实现了精确的源定位。 朱晓梅，朱援祥，孙秦明【4 0 1 采用小波包分析技术对信号进行分解，分段补偿， 再进行小波包重构，并用互相关技术进行源定位。研究表明，这种方法能有效提 高定位精度。 1 3 4 模态声发射 模态声发射是近年来发展起来的声发射检测新技术，它从理论上较好地解决 了声发射技术应用中面临的源定位不准确、信号解释困难和噪声等问题。模态声 发射最为重要的标志就是采用宽带技术，包括传感器、滤波、信号采集、信号分 析乃至计算机数据传输速度等软硬件都必须满足宽带模态声发射检测信号的要 求【4 1 1 。 北京l 一业大学工学硕士学位论文 刘松平、m i c h a e lg o n n a n ，陈积懋 7 1 介绍了模态声发射检测技术的原理、信 号特征及信号源识别和定位，并对其在飞机疲劳裂纹的监测中的应用进行了介 绍。耿荣生、沈功田等【4 2 】介绍了模态声发射基本理论及其形成过程，并介绍了它 在声发射源定位、复合材料损伤识别、疲劳裂纹萌生和扩展的声发射检测以及航 空材料腐蚀损伤声发射评价等工程实践中的应用。 l a n c ee r e w e r t s 和r r o b e , s 4 3 4 4 l 研究了充液管道中波传播的频散特性， 建立了波在充液管道( 直径为2 英寸的无限长管道) 中波的频散模型，并通过时 间一空间变换的方法和时间频率变换的方法，在理论上实现了声发射源的精确定 位。 m s u r g e o n ，m w e v e r s l 4 5 1 对c f r p ( c a r b o nf i b r er e i n f o r c e dp l a s t i c ) 薄板的声发 射信号进行了模式分析。实验结果表明，利用模态声发射技术既可以对声发射信 号作出合理解释，也可以实现准确的源定位和分离噪声的目的。 刘松平、s t e v ez i o l a 、刘晶【4 6 】等讨论了利用模态声发射对构件中的疲劳 裂纹进行自动监测。对于检测信号中存在的噪声干扰，根据噪声信号的特点，利 用频谱分析的方法予以剔除。 围绕压力管道的泄漏检测问题，本实验室进行了一些富有成效的工作：焦 敬品，李涌等 4 7 建立了包括长为3 m 的管道在内的压力管道泄漏实验模型，在不 同实验条件下进行了压力管道泄漏的声发射检测实验。定性判断了是否有泄漏的 发生以及泄漏信号随压力、泄漏孔径大小，传感器取向、距离变化的关系。焦敬 品等 6 4 , 6 5 1 采用时空变换与模态声发射技术相结合的方法对压力管道泄漏源的定 位进行了研究，在泄漏源定位方面取得了一定进展。李涌【6 6 】采用时频变换和模态 声发射技术相结合的方法对管道泄漏源的定位进行了研究，定位在理论上得到成 功，只是实际应用中因部分参数未能优化确定而使定位效果受到一定影响。 尽管将声发射技术用于管道泄漏检测，在各方面已经取得各种成果和进展， 但是，要准确的解释泄漏声发射源的特性，熟知影响泄漏声发射信号波形的各种 因素，准确而稳定地进行泄漏源定位，要达到这些目标还有很长的路要走。因此， 本课题就是要从这几个方面来确定研究内容，其中包括对李涌【6 6 】的源定位算法进 行参数优化并实际验证定位效果。 1 。4 本课题的来源及主要研究内容 本课题来源于国家自然科学基金、北京市自然科学基金重点项目。主要内 容是研究压力管道泄漏声发射源定位的实验和定位算法。 1 ) 压力管道泄漏声发射源定位的实验研究 源定位是泄漏声发射信号检测的一个重要目的，泄漏声发射信号变化或不 稳定将直接影响到泄漏源定位的准确性。因此，深入彻底的研究泄漏声发射信号 的影响因素和传播机理是非常必要的。本课题有关源定位的实验研究主要集中 在：验证泄漏声发射信号的能量和频谱随管道压力、传播距离、淹漏孑l 径的交化 规律：研究泄漏孔内壁粗糙度、管道填充介质、模拟泄漏孔的材质对泄漏声发射 信号的影响以及管道上法兰联结件对声发射信号衰减的影响。 2 ) 压力管道泄漏声发射源的定位算法研究 算法研究分三部分：针划分析低频泄漏声发射信号的互相关定位算法的应 用研究；针对突发型声发射信号源的广义倒谱定位方法应用研究；针对连续型的 泄漏声发射信号源的单传感器时频定位算法研究和双传感器时频定位算法的应 用研究。 第二章基本理论 声发射( a c o u s t i ce m i s s i o n ，简称a e ) 是指材料或结构受内力或外力作用产 生形变或断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象 8 】。弹性波在结构中传播时携 带有大量结构或材料缺陷处的信息，用仪器检测、分析声发射信号和利用声发射 信号可以对结构或材料中的缺陷进行检测和定位。泄漏所激发的应力波并不是通 常意义上的即狭义的声发射现象，因为在泄漏过程中，管壁本身不释放能量，但 由于泄漏时，泄漏的液体与泄漏孔之间的相互作用也会在管道中激发出应力波， 通过该应力波可以描述材料结构上的某种状况。因而，泄漏在管道中激励出应力 波是一种广义上的声发射现象。 声发射信号具有很大的动力学范围，其位移幅度可以从1 0 。5 m 到1 0 一m ，拥 有1 0 6 量级的范围【4 8 】。声发射信号产生的形式也是多种多样的，一般人为地将声 发射信号分为突发型和连续型两类。如果信号是由区别于背景噪音的脉冲组成， 且在时间上可以分开，那么这种信号就称为突发型信号；如果信号的单个脉冲不 可分辨，这些信号就称为连续声发射信号49 1 。充液管道泄漏时将在管道上激发连 续的声发射信号。 2 1 声发射信号的分析方法 采集和处理声发射信号的方法可分为两大类。一种是以多个简化波形特征参 数来表示声发射信号的特征，然后对这些波形特征参数进行分析和处理；另一种 是存储和记录声发射信号的波形，对波形进行分析。 2 1 1 声发射信号的参数分析 声发射信号简化波形特征参数分析方法自二十世纪五十年代已经广泛使 用，目前仍广泛应用于声发射检测技术。对连续型声发射信号，能量测量是定 量研究声发射信号的主要方法之一。声发射信号的能量通常用均方电压。或 均方根电压，来表征。 一个信号y ( r ) 的均方电压k 。和均方根电压。定义如下 k 寿p 斫 y 。= 骶 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式中，r 是平均时间y ( f ) 是随时间变化的信号电压。声发射信号从f 、到f ：日寸 间内的总能量e 可由下式表示： 1 2 ，2 e o c j ( ) 2 d t = j 疵 ( 2 3 ) r 1 l - 2 1 2 声发射信号的波形分析 随着计算机技术和传感器技术的发展，声发射检测也从早期简单参数分析发 展到今天的波形分析。波形分析是通过分析所记录的信号的时域波形来获取声发 射信号所蕴含信息的种方法，它能提供比参数分析方法更全面更详尽的信号特 征信息。 从理论上讲，波形分析应当能给出几乎任何所需的信息，因而也是最精确的 分析方法，可实现对声发射信号的定量分析。目前常用现代信号处理中的方法对 声发射信号的波形进行分析，如；小波分析方法、相关分祈、频谱分析方法、a r 谱分析方法、神经网络识别分析方法等。 2 ，2 模态声发射 模态声发射是在传统谐振传感器参数声发射基础上，与导波理论相结合发展 起来的声发射检测技术1 7 】。与参数声发射( r s f ) 相比，模态声发射认为被测材 料结构中的源或声发射事件在负载作用下，产生的是频率和模态丰富的导波信 号。因此可以利用导波理论将一直困扰声发射推广应用中面临的一些问题，如源 定位不准确、信号艉释困难和噪声问题等，在理论上得到了较好的解释和表达。 模态声发射的主要特点表现在：波源产生超声能量；能量在薄壁结构中以宽 北京工业 学工学硕士学位论文 带波模式传播：将波的模式视为物理量( 即位移、速度或加速度) 来检测，检测 采用高保真宽带速度或位移传感器。在分析方法方面，基于牛顿力学理论、导波 模态和声源特征存在的明确关系，建立力学模型。 与传统声发射相比，模态声发射对工程应用中占大多数的板材、壳体、棒材 和管材结构的检测更具所长，在这些结构中，声发射信号很多时候是以导波的形 式传播的，因此，对导波理论的系统理解将有助于更好地利用模态声发射对结构 进行检测。 2 3 导波理论 在无限均匀介质中传播的波称 为体波。体波有两种：一种称为纵波 ( 或称疏密波、无旋波、拉压波、p 波) ；一种称为横波( 或称剪切波、s 波) ，它们以各自的特征速度传播而 无波形耦合。若一个弹性半空间被平 行于表面的另一个平面所截，从而使 激励接收 图2 - 2 板中导波示意图 其厚度方向成为有界的，这就构成了一个无限延伸的弹性平板。位于板内的纵波、 横波将会在两个平行的边界上产生来回的反射而沿平行板面的方向行进，即平行 的边界制导弹性波在板内传播。这样的一个系统称为平板波导。在此板状波导中 传播的弹性波即所谓的板波( 或l a m b 波) 。l a m b 波是超声无损检测中最常用的 一种导波形式。除此之外，圆柱壳、棒及层状的弹性体都是典型的波导。其共同 特性是由两个或更多的平行界面存在而引入一个或多个特征尺寸( 如壁厚、直径、 厚度等) 到问题中来。在圆柱体和圆柱壳中传播的导波称为柱面导波。导波产生 的一个重要条件是弹性波的波长要求远大于波导的特征尺寸。图2 2 能够很好地 说明板中的导波( l a m b 波) 是如何激励出来并且传播的。首先，由激励传感器 发射出弹性波，弹性波在板的上下表面发生不断地反射并且向前传播，板的上下 表面制导着超声波在板内的传播，由此形成了板中的导波l a i i l b 波1 5 “”j 。 2 3 1 导波的群速度与相速度 群速度与相速度 5 2 , 5 4 1 是导波理论中 两个最基本的概念，所谓群速度是指弹性 波的包络上具有某种特性( 如幅值最大) 的点的传播速度，是波群的能量传播速 度。而相速度是波上相位固定的一点传播 方向的传播速度。值得注意的是，导波以 其群速度向前传播。如图2 3 ，波形a 为 弹性波在传播一定距离时得到的一个导 图2 - 3 群速度与相速度的关系 波波形。波形b 为传播距离加大7a f 后得到的一个导波波形。比较两图，b 图中 的包络明显向后移动了一段时间t ，两个波形的等相位点( 这里将其视为某一固 定波形的过零点) 相差的时间为f ：。在工程上，就可以借此粗略地估计这种模式 导波在图2 - 3 所示超声波频率附近的群速度c 。和相速度c ，为 c _ 坐( 2 4 ) 。g 2 了 2 4 c ：坐( 2 5 ) 。，2 百 吲” 群速度与相速度的关系如下 ( 2 6 ) 其中：f d 为频率一厚度积。，为所要求导波的频率，d 为所测试件的厚度。对于 板而言，d 为板的厚度；对于圆管，d 为管的壁厚。 2 3 2 导波的频散现象及多模态特性 互捌 一 一 一 咚 受几何尺寸的影响，不同频率下波 导中传播弹性波的速度不同，从而导致 超声波的凡何频散，称之为频散现象。 在导波的长距离检测中，导波频散现象 使得初始位置的弹性波信号波形在传 播过程中发生畸变，并将对测量的结果 产生非常大的影响。图2 4 所示为 弋l 删愀黼删触一t 。， i 口 时闩( u _ ) 帕 * 二二= 二= = = 。 li a 时拇( u 5 ) 岫 图2 - 4 颛舯 w 募示南图 1 肌朋厚铝板内黑模态的l a m b 波传播情况【5 3 】。激励信号为五个周期加h a n n i n g 窗的中心频率为2 m h z 单音频信号。图2 4 中( a ) 、( b ) 、( c ) 分别表示原始激 励波形信号、信号传播到5 0 m m 处和信号传播到l o o m m 处时的波形信号。可以看 到，随着传播距离和传播时间的增加，原始激励的信号波形发生了非常大的畸变， 这将使信号特征的识别与提取变的很困难并由此导致检测结果的失真。 导波在结构中传播时，在低频一厚积的情况下，至少存在两个模态，随着频 厚积的增长，还会出现更多的模态。囚此，用模态声发射检测技术对结构进行检 测时，声发劓传感器接收到的信号通常包含两个或两个以上的模态。多模态的存 在使得声发射信号的分析变的更加困难。 2 4 l a m b 波 l a m b 波是板内的纵波与质点振动位移在图2 5 中平行于归平面上的横波( 以 下简称横波) 相对于= 轴以一定角度斜向运动， 并在板的上下表面不断受到反射时组合而成的 5 5 5 6 。由于纵波在板的表面会产生反射纵波与 反射横波，横波会产生反射横波与反射纵波， 显然这里的纵波、横波是相互耦合的。当板内 的纵波向前传播时在z 轴方向上的波数女。与横 圈2 - 5 自由板示意图 z 波在z 轴方向上的波数七。相等时，板中的纵波与横波相互作用会形成共振，这 便是l a m b 波的物理模型。l a m b 波按照质点的振动特点可分为扩展波( 对称型) 和弯曲波( 非对称型) 两种 引。 通常将置于空气或真空中板内的l a m b 波简称为l a m b 波，而将置于液体中板 内的i a m b 波称为漏l a m b 波，真空中板内l a m b 波在理论上是不会向板外扩散， 而漏l a m b 波因为板周围是液体，其能量会不断向板外泄漏，造成这种形式的导 波会随传播距离的增大而显著衰减。 2 5 圆管中的导波 波在圆管中的传播比扳中的l a m b 波更为复杂，理论推导得出的频散曲线对 导波的无损检测技术起着非常重要 的指导作用。右图就是无限长无 应力空心圆柱壳的模型( 图2 - 6 ) 。 边界条件为在，= 日和r = 6 处， 盯”= o - n = o - ，口50 。 圆管中的导波分为