（精密仪器及机械专业论文）基于DSP技术的真空镀膜机检漏仪的研制.pdf

基于d s p 技术的真空镀膜机检漏仪的研制 学科：精密仪器及机械 研究生签字：亨p 小莉 指导教师签字：首研专勿 摘要 检漏仪是真空镀膜机泄漏检测中必备仪器。本文以超声法为依据，提出了种以d s p 为核心的泄漏检测技术。实现了真空系统泄漏检测的自动化。 论文主要完成以下研究工作： 检漏仪系统硬件设计。首先，以r 4 0 1 0 普通型超声波传感器的性能参数为依据，完 成信号预处理电路的设计；其次，利用高精度a d 对泄漏超声波信号进行模数转换；然 后，利用d s p 实现了对泄漏超声信号的采集处理；最后，通过d s p 的i o 端口控制液晶 显示和报警，对被检系统泄漏情况给与提示，同时提供了通信接口，便于数据的输出分析。 检漏仪系统软件设计。主要包括信号采集、数字滤波、快速傅立叶变换及校正、系统 报警和液晶显示五个功能模块。在信号采集模块中，完成了模拟信号到数字信号的转换及 采集；在数字滤波模块中，通过带通滤波算法，去除噪声干扰；在快速傅里叶变换及校正 模块中，利用时域基2 算法实现快速傅里叶变换，利用比值法实现频谱校正，将泄漏超声 与环境噪声区分开，完成泄漏检测；在系统报警模块中，通过对d s p 的i o 设置，实现 报警控制；在液晶显示模块中，仍通过d s p 的i o 控制，对系统泄漏情况给予显示。 本文给出了检漏仪系统设计及实现的全过程。实验结果表明，选择高精度高稳定性 的仪表放大器a d 6 2 0 为前端信号处理，降低器件干扰，给后面信号的采集处理减少了困 难；通过傅立叶变换及校正进行信号频域分析，可以有效的去除各种外界干扰，将信号检 测出来。 关键词：超声波；泄漏检测；快速傅立叶变换；频谱分析 i n v e s t i g a t i o na n dd e v e l o p m e n t o fd s pb a s e dl e a k a g e d e t e c t o rf o rv a c u umc o a t i n gm a c h i n e d i s c i p l i n e ：p r e c i s ei n s t r u m e n t sa n d m e c h a n i s m s t u d e n ts i g n a t ur e ： s u p e r v i s o rs i g n a t u r e ： 6 帕x 弘d ff 吻t 护犬胗d l j h u1 9 刁丁讥 a b s t r a c t l e a k a g ed e t e c t o ri st h en e c e s s a r yi n s t r u m e n tf o rt h ev a c u u mc o a t i n gm a c h i n el e a k a g e t e s t r e l y i n g o nt h eu l t r a s o n i ct h e o r y , t h i st h e s i sp r o p o s e do n el e a kd e t e c t i o nt e c h n o l o g yw h i c h u s e s d s pa st h ec o r et or e a l i z et h el e a kd e t e c t i o na u t o m a t i o nf o rv a c u u ms y s t e m s t h et h e s i sm a i n l yc o n s i s t so ft h ef o l l o w i n gt w op a r t s ： h a r d w a r ed e s i g nf o rt l l el e a kd e t e c t i o ns y s t e m f i r s t l y , c o m p l e t e dt h ec i r c u i td e s i g nf o r s i g n a lp r e p r o c e s sb a s e do nt h ep a r a m e t e r so f r 4 0 10n o r m a lu l t r a s o n i cs e n s o ra n dr e a l i z e dt h e a dc o n v e r s i o no ft h eu l t r a s o n i cs i g n a lu s i n gt h eh i g hp r e c i s i o na dm o d u l e ；t h e n ，c o l l e c t e d a n dp r o c e s s e do ft h el e a ku l t r a s o n i cs i g n a l su s i n gd s pa n d ，f i n a l l y , i m p l e m e n t e dt h el c m d i s p l a ya n ds y s t e ma l a r m i n gt h r o u g ht h ed s p p o i r t s ，w h i c hr e m i n dt h el e a k a g es i t u a t i o no f t h e d e t e c t e ds y s t e ma n do f f e rt h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ，e a s i n gt h eo u t p u to f d a t a s o f t w a r ed e s i g nf o rt h el e a kd e t e c t i o ns y s t e m t h i sp a r tm a i n l yi n c l u d e sf i v ef u n c t i o n a l m o d u l e s ：s i g n a lc o l l e c t i o n , d i g i t a lf i l t e r i n g ，f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m a t i o na n dc o r r e c t i o n ，s y s t e m a l a r m i n ga n dl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y t h es i g n a lc o l l e c t i o nm o d u l ea c c o m p l i s h e dt h ec o l l e c t i o n a n dp r o c e s s i n go fa n a l o g u es i g n a lt od i g i t a ls i g n a lc o n v e r s i o n ；t h ed i g i t a lf i l t e r i n gr e m o v e dt h e n o i s ei n t e r f e r e n c eu s i n gt h eb a n dp a s sf i l t e r i n ga l g o r i t h m ；t h ef a s tf o u d e rt r a n s f o r m a t i o na n d c o n e c t i o nm o d u l er e a l i z e dt h ef a s tf o u r i e rt r a n s f o r m a t i o nu s i n gt h et i m ed o m a i n2b a s e d a l g o r i t h m ，a n di m p l e m e n t e ds p e c t r u mc o r r e c t i o na n dl e a k a g ed e t e c t i o nb ys e p a r a t i n gt h e l e a k e d u l t r a s o u n df r o me n v i r o n m e n t a ln o i s e ；o n c et h e r ei sl e a k a g e ，t h es y s t e ma l a r m su s i n gt h e a l a r m i n gs y s t e ma n du s et h el i q u i dc r y s t a ld i s p l a ym o d u l et od i s p l a yt h el e a k a g ec o n d i t i o n o f t h es y s t e mb yc o n t r o l l i n gt h ed s pi op o r t s t h i st h e s i ss h o w st h ew h o l ed e s i g n i n ga n da c c o m p l i s h m e n tp r o c e s so ft h el e a kd e t e c t i o n s y s t e m e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h eh i g hp r e c i s i o na n dh i g hs t a b i l i t yi n s t r u m e n t a t i o n a m p l i f i e ra d 6 2 0c a nl o wt h ed e v i c e i n t e r f e r e n c ea n de a s et h es i g n a lc o l l e c t i o n ；f o u r i e r t r a n s f o r m a t i o na n dc o r r e c t i o ne f f e c t i v e l yr e m o v e sv a r i o u so u t s i d ei n t e r f e r e n c ea n dm a k et h e d e t e c tp r e c i s e l y k e yw o r d s ：u l t r a s o n i c ；l e a k a g ed e t e c t i o n ；f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n ( f f t ) ；f r e q u e n c yd o m a i n a n a l y s i s 学位论文知识产权声明 学位论文知识产权声明 本人完全了解西安工业大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 学位论文工作的知识产权属于西安工业大学。本人保证毕业离校后，使用学位论文工作成 果或用学位论文工作成果发表论文时署名单位仍然为西安工业大学。学校有权保留送( 提) 交的学位论文，并对学位论文进行二次文献加工供其他读者查阅和借阅；学校可以在网络 上公布学位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学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名： 喜 u 、翱 指导教师签名：哿印罨办 日期：叼争千目z t 日 7 5 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的学位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，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的成果，不包含本人已申请学位或他人 已申请学位或其他用途使用过的成果。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致谢。 学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名：亨f i 小菊 指导教师签名：喜勺乃为 日期：咖了午年月2 二j a 7 6 1 绪论 1 绪论 1 1 本文研究的目的和意义 在现今的工业上有很多设备及仪器具有真空系统，设备或仪器长期使用，其真空系统 难免会出现泄漏现象，这不仅影响设备及仪器的正常工作，还可能会引起不安全事故的发 生，因此，及时检测出真空系统泄漏情况成为安全生产的重要保障。 真空检漏就是检测真空系统的漏气部位及其大小的过程。检漏方法有很多种，根据被 检件所处的状态可分为充压检漏法、真空检漏法及其它检漏法【1 1 ，利用这些方法所设计的 一些常见检漏仪器有：氦质谱检漏仪、卤素检漏仪、高频火花检漏器、气敏半导体检漏仪 等等，这些检漏仪器性能稳定，灵敏度高，可以较为精确的测出漏气的位置及漏气量的多 少，但缺点就是大多价格昂贵或者操作方法不易掌握使得使用不方便。很多情况下会采取 这样的方法来进行系统泄漏情况的检测：用针灌满乙醇向真空系统连接口处喷，并观察真 空计的指数，有变化则表明此处漏气，这种方法所需花费少，但检测的灵敏度不高，所能 测量的范围也有限，基于以上的原因，一种价格适中，操作简单，而且灵敏度也较高的检 漏仪器也越来越成为现代工业发展所需求的，而本课题在这样的形式下提出，有很强的及 时性和实用性。 研究发现，当真空系统或压力系统出现泄漏时，在漏孔附近会产生泄漏噪声，这个泄 漏噪声频带较宽，达到超声波段。根据泄漏噪声这一特性，如果在系统周围检测出泄漏噪 声的存在，就可以判断出真空系统或压力系统是否泄漏，因此超声波检测技术成为了一种 泄漏检测技术。此泄漏噪声信号微弱，而在工业现场中，环境噪声又不可避免的存在着， 使得有效的实现对此信号的采集和分析，从环境噪声中分辨出泄漏噪声信号成为了本检漏 仪研制过程中主要要解决的问题，从而提出了利用d s p 技术进行信号频谱分析的方案来 进行设计。 现在市场上已有超声波检漏仪出现，例如：美国生产的数位式超声波故障检测器 u l t 毗心r o b e 9 0 0 0 ，就是一种功能强大的检测工具，不论何类流体产生泄漏， u l t r a p r o b e 9 0 0 0 都能检测到，泄漏越严重，信号越强，尤其适合于饱和气体、多种气 体、压力容器、真空处理等应用场合【2 。但此类进口超声波检测器价格还是相当昂贵的， 市场上同类的国产超声波检漏仪少有见到，所以超声波检漏仪还是未能广泛推广使用。本 课题以系统泄漏会产生含有超声波段的泄漏噪声为机理，研制出一种抗环境噪声干扰能力 强、灵敏度高、成本低、操作方便实用性强的超声波检漏仪。 1 2 检测技术发展概述 超声波检测技术是一种重要的无损检测技术，由于它的穿透能力强，对材料和人体无 两安t 业人学硕+ 学位论文 损害，使用方便等特点，通常用作改进产品质量、产品设计、加工制造、成品检测以及设 备服役的各个阶段和保证机器零件的可靠性和安全性上。尽管它本身并非是一种生产技 术，但其技术水平能反映该部门、该行业、该地区甚至该国家的工业技术水平【3 j 。 无损检测技术之所以受到如此重视，是和它在国民经济中体现出的社会效益和经济效 益分不开的。它的社会效益主要体现在保障设备安全可靠，提高使用寿命，减少和避免重 大事故方面。近年来，世界上发生的多起重大恶性事故，如铁路断轨，火车翻车，蒸汽阀 爆炸，石油液化气储罐爆炸等等，直接涉及重大的经济损失和人身安全，这些事故都是可 以利用无损检测技术得以避免的。无损检测技术的经济效益表现为直接性的和潜在性的。 直接性经济效益是指在生产过程中通过降低成本、提高成品率和劳动生产率而取得的，它 容易被人们重视。例如无损检测可改进钢材的制造工艺，可节省费用并提高质量，经过无 损检测后的材料可直接提高售价。潜在性经济效益是指长期的综合效益，是由产品质量在 商品市场上的信誉的增长而取得的，一个有远见而又务实的企业领导者必须对产品的无损 检测予以高度重视，一个先进的国家也必须把无损检测技术的发展放在重要的位置上。实 际中，也正是这样，世界上工业发达的国家，无一不把无损检测技术放在重要地位上，美 国总统里根在美国无损检测学会纪念会贺词中曾说：“没有无损检测技术，美国就不能享 有众多领域中领先地位 。日本人也认为“现代工业是建立在无损检测的基础之上的1 4 l ”。 超声无损检测技术与其它常规检测技术相比，它具有被测对象范围广、检测深度大、 缺陷定位准确、检测灵敏度高、成本低、使用方便、速度快、对人体无害及便于现场检测 等优点f 3 j 。现如今，超声波检测技术已成为国内外应用最广泛、使用频率最高且发展较快 的一种无损检测技术b 】。有关资料表明，国外每年大约发表3 0 0 0 篇涉及无损检测的文献资 料，全部文献资料中有关超声无损检测的内容约占4 5 。几十年来，超声无损检测已得到 了巨大发展和广泛应用，几乎应用到所有工业部门。如作为基础工业的钢铁工业，机器制 造工业、锅炉压力容器有关工业部门、石油化工工业、铁路运输工业、造船工业、航空航 天工业、高速发展中的新技术产业如集成电路工业、核电工业等重要工业部门。目前大量 应用于金属材料和构件，包括质量在线监控和产品在役检查。水平普遍提高，应用频率和 领域也同益增多。 随着科学技术的进步和发展，超声检测技术也在不断更新发展，明显地表明了下列趋 向： 定性检测向定量检测和直接显示缺陷的图像发展。经过7 0 年代和8 0 年代的科研积累 和计算机图像科学的发展，超声检测技术现正由定性地判断缺陷的有无而发展为对缺陷的 位置、大小、形状、性质进行定量判断，并且利用各种成像技术直接显示缺陷的二维、准 三维图像。 在线自动检测和仪器的智能化发展，其中非接触超声检测技术将获得突破性进展。 人工智能技术、自适应技术、机器人技术和相关技术等，这些技术以高精度的运算、控制 和逻辑判断功能来代替大量人的体力和脑力劳动，减少了人为因素造成的误差，很好地解 2 1 绪论 决了记录存档问题，使得在超声检测技术中定位、定性、定量的可靠性和完备性大幅度地 提高，实现了超声检测和评价的智能化、自动化、图像化、数字化、小型化、系列化、多 功能化和信息化 s 3 。 1 3d s p 技术 1 3 1 概述 进入2 1 世纪以后，社会进入了数字化的时代，数字信号处理器d s p 正是这场数字化 革命的核心。d s p 有两种解释：一种是d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，指的是数字信号处理技 术；一种是d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，指的是数字信号处理器，也就是通常所称得d s p 芯片， 是一种专门用于数字信号处理的微处理器，它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度远 远超过通用微处理器【6 l 。d s p 是一门涉及许多学科而又广泛应用于许多领域的新兴学科。 在通常的实时信号处理中，它具有可程控、可预见性、精度高、稳定性好、可靠性和可重 复性好、易于实现自适应算法、大规模集成等优点，这都是模拟系统所不及的。 在d s p 技术发展的初期，只能在微处理器上完成数字信号的处理。直到7 0 年代，才 提出了d s p 的理论和算法基础。一般认为，世界上第一个单片d s p 芯片是1 9 7 8 年a m i 公司发布的$ 2 8 1 1 。1 9 7 9 年美国i n t e l 公司发布的商用可编程器件2 9 2 0 是d s p 芯片的一 个主要里程碑。这两种芯片内部都没有现代d s p 芯片所必须有的单周期乘法器。1 9 8 0 年， 日本n e c 公司推出的p d 7 7 2 0 是第一个具有硬件乘法器的商用d s p 芯片，从而被认为 是第一块单片d s p 器件。随着大规模集成电路技术的发展，1 9 8 2 年美国德州仪器公司推 出世界上第一代d s p 芯片t m s 3 2 0 1 0 及其系列产品，标志着实时数字信号处理领域的重 大突破。t i 公司之后不久便相继推出第二代d s p 芯片t m s 3 2 0 2 0 、t m s 3 2 0 c 2 5 c 2 6 c 2 8 、 第三代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 3 0 c 3 1 c 3 2 。9 0 年代d s p 发展最快，t i 公司相继推出第四代 d s p 芯片t m s 3 2 0 c 4 0 c 4 4 、第五代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 5 x c 5 4 x 、第二代d s p 芯片的改 进型t m s 3 2 0 c 2 x x 、集多片d s p 芯片于一体的高性能d s p 芯片t m s 3 2 0 c 8 x 以及目前 速度最快的第六代d s p 芯片t m s 3 2 0 c 6 2 x c 6 7 x 等。通常情况下，根据d s p 芯片工作的 数据格式的不同，可分为定点和浮点d s p ；根据d s p 芯片用途的不同，可分为通用型和 专用型d s p 。在现今的市场上，最为常见和使用最多的d s p 芯片是t i 公司的推出的 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 、t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 和t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 三大系列。其中t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列， 是作控制用的d s p ，主要用途是电话、数字相机、售货机等；t m s 3 2 0 c 5 0 0 0 是一种低功 耗高性能d s p ，1 6 位定点，速度为4 0 m i p s 2 0 0 m i p s ，主要用途是有线和无线通信、i p 、 便携式信息系统、寻呼机、助听器等，价格为5 美元7 5 美元；t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 系列是综 合了目前d s p 的所有优点，具有最佳的性价比和低功耗，用于图像处理、语音识别和3 d 图形等。 由于d s p 其特殊的内部结构、强大的信息处理能力以及较高的运行速度这些最为重 要的特点，现代的d s p 技术可较完善的完成数据采集、信号的数字滤波、快速傅立叶变 3 两安i ：业人学硕十学位论文 换、小波分析、语音识别、图象处理、频谱分析等数字信号的处理，这也就使得d s p 技 术得以广泛的应用于无线通信、有线通信、计算机、消费电子、自动控制、汽车电子、数 字监控、生物识别、医疗仪器等领域f 6 l 。 1 3 2 d s p 的发展趋势 互联网是后p c 时代全球经济新的增长点，也是d s p 潜在的应用领域。而手机、p d a 、 m p 3 播放机以及笔记本电脑等则是设备个性化的典型代表。这些设备的发展水平取决于 d s p 的发展。新形势下，d s p 面临的要求是处理速度更高，性能更全，功耗更低，存储 器用量更少，所以其技术发展将会有以下一些趋势。 1 ) d s p 的内核结构进一步改善 多通道结构和单指令多重数据( s i m d ) 、特大指令字组( v l i m ) 将在新的高性能处 理器中占主导地位，如a d 公司的a d s p 2 1 1 6 x 。 2 ) d s p 和微处理器的融合 微处理器( m p u ) 是低成本的，主要执行智能定向控制任务的通用微处理器，能很 好执行智能控制任务，但是其数字信号处理功能很差。而d s p 的功能j 下好与之相反。在 许多应用中均需要同时具有智能控制和数字信号处理两种功能，如数字蜂窝电话就需要监 测和声音处理功能。因此，把d s p 和微处理器结合起来，用单一芯片的处理器实现这两 种功能，将加速个人通信机( p c b ) 、智能电话、无线网络等产品，同时简化设计，减小 体积，降低功耗和整个系统的成本。 3 ) d s p 和高档c p u 的融合 大多数高档m c u ，如p e n t i u m 和p o w e r p c 都是s i m d 指令组的超标量结构，速度很 快。l s il o g i c 公司的l s l 4 0 1 z 采用高档c p u 的分支预示和动态缓冲技术，结构规范，利 于编程，不用担心指令排队，使得性能大幅度提高。 4 ) d s p 和s o c 的融合 s o c 是指把一个系统集成在一块芯片上。这个系统包括d s p 和系统接口软件等。比 如，v i r a t a 公司购买了l s il o g i c 公司的z s p 4 0 0 处理器内核使用许可证，将其与系统软件， 如u s b 、1 0 b a s e t 、以太网、u a r t 、g p i o 、h d l c 等一起集成在芯片上，应用在x d s l 上，得到了很好的经济效益。毋庸置疑，s o c 将成为市场中越来越耀眼的明星。 5 ) o s l 和f p g a 的融合 f p g a 是现场编程门阵列器件。它和d s p 集成在一块芯片上，可实现宽带信号处理， 大大提高信号处理速度。 6 ) 实时操作系统r t o s 与d s p 结合 对d s p 应用提供r t o s 支持，是d s p 的性能和功能日益增加的必然结果。d s p 正从 高速数字引擎转变为具有主流处理器特性的芯片1 6 1 。 4 l 绪论 1 4 论文主要研究工作 本文以超声波检测技术与d s p 技术相结合为背景，在对压力系统或真空系统出现泄 漏时所产生的泄漏噪声进行充分分析的基础上，研制了系统检漏仪。其主要研究工作分为 以下三部分： 根据泄漏噪声特性并结合实际环境，给出了d s p 数据采集和处理系统的软硬件设 计方案； 在硬件设计中，该系统使用的是t 1 2 0 0 0 系列中内部自带a d 模数转换功能的 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为数据采集系统的核心模块，除此之外，还有前端信号放大电路的设计， 报警电路的设计，显示电路的设计和定位激光灯的控制。同时还加了串口通信电路，可实 现与p c 机间的通信； 在软件设计中，本系统使用的是c c s 2 0 编译器为d s p 程序开发平台，采用的是 c c + + 语言编写。程序设计主要分为六个部分，第一部分是定位激光灯控制程序，第二部 分数据采集程序，第三部分数字滤波程序，第四部分是快速傅立叶变换及校正程序，第五 部分是报警程序，第六部分是显示程序。其中，主要对数字滤波和快速傅立叶变换的算法 进行研究，使用基2 时域抽取法在d s p 中实现快速傅里叶变换，由于能量泄漏和栅栏效 应的存在，并着重研究了傅立叶变换校正法来降低误差，实现对信号的频谱分析，从中判 断出泄漏噪声的是否存在。 1 5 论文的结构安排 第一章，首先对论文研究的目的及意义进行了介绍，根据压力或真空系统泄漏噪声信 号有超声波段存在，提出了本课题所要研制检漏仪的技术方案：利用超声波的特性采用 d s p 技术进行信号的采集和处理分析。同时，还介绍了目前国内外研究现状及存在的问 题。 第二章，介绍了气流声学的基本内容，阐述了泄漏噪声产生的原理及其特性和超声波 在空气传播中衰减情况。 第三章，通过对泄漏噪声特性的分析，以及对d s p 技术特性功能的了解，从软硬件 两个方面给出了检漏仪的总体设计方案。 第四章，具体介绍系统的硬件电路设计，主要包括：信号放大电路、d s p 采集处理 电路、报警电路、串口通信电路、显示电路和定位激光灯控制电路，其中还包括对芯片的 选型，及对d s p 主芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 进行介绍。 第五章，首先给出了系统软件程序的总体结构设计，并介绍了数字滤波算法的原理和 快速傅立叶算法的原理以及算法校正，并进行频谱分析。 第六章，首先，介绍了系统的调试过程；其次，给出了系统测试的结果；最后，通过 结果分析了系统存在的问题并提出了改进措施。 5 两安i ：业人学硕十学位论文 第七章，对论文进行归纳总结。 6 2 泄漏噪卢特性分析及超声衰减 2 泄漏噪声特性分析及超声衰减 2 1 泄漏噪声特性分析 2 1 1 湍流喷气噪声 1 ) 气流声学的概述及基本声源介绍 气流声学一般认为是从1 9 5 0 莱特希尔( m j l i g h t h i l l ) 研究喷气噪声开始的。气流声 是气流不稳定而产生的，不是靠固体的振动或调制( 如旋笛) ，也不靠共振系统( 如亥姆 霍兹共鸣器) ，而主要是流体动力学因素所致。湍流喷气噪声便是气流声中的一种。气流 中的基本声源包括三种：单极子、偶极子和四极子f 7 - 9 1 。 a 、单极子( 简单声源，脉动球声源) 单极子或简单声源是一个小球，当小球的半径口不断伸缩时，其体积y 不断起伏。体 积的变化率d v d t = 矿即称为单极子的强度。如果1 4 。是球体表面的径向振动速度，球表面 的振动引起周围介质中的发射声波，各方向相同，单极子发射声波的声压为 p m ( r , t ，= 鲁等= 等等 亿， 式中岛为静止介质的密度，为其声速。显而易见在距离，处的声压是在r c 时间前发出 的，y 和“上都加宰号表明这些都是r c 以前的值v ( t r c ) 和u ( t r c ) 。这称为推迟作用。 则( 2 1 ) 式也可改写为 p u ( r ，t ) = 兰砌 ( 2 2 ) 式中砌是圆球表面上的声压，推迟值。单极子的辐射功率为 ：垡( 丛为z ：4 万丛d u m ) 2 ( 2 3 ) p o c o rd t c o a c t 上面一横代表平均。根据相似性考虑，a d ，气流的尺度，1 , 。u ，气流速度，d ( ) a t u d 典型频率，因而单极子声源的声功率 风d 4 ( 箬) 2 u 2 p o u 3 d 2 m ( 2 4 ) 式中 p o u 3 d 2 甄( 2 5 ) 即正比于气流的功率，即气流动能的供应率，m = u c o 为气流声的声马赫数。此式指 明单极子声源的声效率与声马赫数成比例，是气流基本声源中声效率最高的。不过单极子 只是存在于气流速度低时的不稳定状态，所以功率还是比较低。 b 、偶极子 7 西安一i ：业人学硕十学位论文 两个大小相同而相位相反的单极子构成一个偶极子。设二单极子联线取为x 方向，其 间距b 甚小于波长，在与偶极子轴成0 角度的方向上远点( 距离，) 处二单极子到达的时 间差为b c o s o c o ，如b 趋于零，偶极子产生的声压即 p 。= 半警= 等半等 亿6 ， 在偶极子中心的垂直平面上，每个点距两个单极子的距离都相等，总声压为零，但在较近 出，距离，比d 不太大，两个单极子的声压就不能互相抵消，距离差要起作用。设振动速 度为u d ，在球面上的一点在，方向的速度就是u d r = c o s o ，据此，声压即为 砒沪譬( 云 等a t ， xiz 靠j 一 圆球可以就是流体的球受x 方向的外加力f 作用而产生蚴，因而( 2 7 ) 式可写做 p o ( 叫) ：士土军 ( 2 8 ) n f ) 2 赤玄等 ( 2 名) 式中e = f c o s 0 是f 在口方向的分力。偶极子声源是力声源。单极子声源产生的质点速 度是简单的径向，由声源向四面八方。偶极子声源产生的质点速度则是沿球线的，由偶极 子一端回到其另一端。则( 2 8 ) 式可写做 p o ( ，) ：堑了p d t ( 2 9 ) 岛为偶极子球面上的声压。由此可求出偶极子辐射的声功率 = 等筹( 挚2 丽1 附1 ( d 讲f ) 2 ( 2 1 0 ) 用相似性原理，可取f 为p u 2 d 2 ，偶极子辐射功率即为 w o p o u 6 f d 一2 风u 3 d 2 m 3 ( 2 1 1 ) c o 风u 3 d 2 为气流动能功率，偶极子的声效率比例于m 3 ，比单极子声源的效率低得多。不 过单极子声源只产生于低气流速度，偶极子需要气流速度较高，遇到小物体而形成。所以 功率比单极子大得多。 c 、四极子 两个大小相同而相位相反的偶极子构成一个四极子。两个偶极子相距一个小距离，如 果两偶极子排列的方向与偶极距垂直，则称为横四极子，如果两个偶极子排列的方向与偶 极距相同，则是纵四极子，后者辐射功率极小。只讨论横四极子，根据偶极子辐射公式可 写出四极子辐射的声压 枷，= 半誓= 争( 警警等 亿2 ， 或根据半径为吼的球面上一点在，方向的速度分量，横四极子可写做 8 2 泄漏噪声特性分析及超卢衰减 咿，= 譬了d 2 u q ，- ，ij 己j口f 。 ( 2 1 3 ) 玑，= 玑c o s c p c o s a 。流体在球附近的自由度更多，推动远距离声场的效力更低。这个球 的体积显见并不改变，玑，在各方向平均为一常数，与单极子不同。它也不受力，如偶极 子。四极子球的椭圆畸变是声辐射的来源。其远距离的声场在两个互成直角的方向上为零。 四极子是空气动力流动的基本声源，没有体积或力的变化。 与单极子和偶极子相似，四极子声场也可以写成其圆球表面振动的辐射 口3d 2 口 p o ( r ，f ) = 与寻 ( 2 1 4 ) 3 r c o a t 玩是四极子球面上的声压，所以知道了流体动力场中一点的声压，就可以求出远距离一 点的声压。同样可以用相似性理论求得四极子声源的辐射声功率，口。d ，喷注直径， u 。u ，气流速度，d ( ) a t u d ，四极子声源的辐射声功率 ，r 8n 2 既丝兰乙p u 3 d 2 m 5( 2 1 5 ) y c 声效率随m 5 变化，比偶极子的声效率还低，但四极子声源只产生于高速度的气流中，四 极子的声功率比偶极子的声功率大得多。 单极子、偶极子和四极子声源都可以球面声源表示，不同处在单极子球为脉动球，球 面振动；偶极子球为振动球，球本身体积形状都不改变，但整体在横方向来回振动；而四 极子则是伸缩球，球心不动，体积也不变，但在横方向一个直径方向伸涨，与它垂直的方 向直径方向收缩，两个方向交错伸缩，球变做椭球。从上面的介绍可知单极子声源的气声 效率为m ，偶极子声源则为m 3 ，四极子为m 5 。这并不说明单极子声源就强大，偶极子 较弱而四极子最弱。而实际完全不是这样，而且正好相反。因为单极子声源发生在速度低 的气流中，原因是气流的不稳定，无外力作用，所以气声效率虽高，声功率却较小。偶极 子声源发生于气流速度较高的条件下，气流遇到异物如固体、边梭、阀门等，后者有反作 用力并引起涡流而发声。在气流速度小时，这些现象不能发生。因为气流速度大，马赫数 高，偶极子的m 3 比单极子声源的m 还要大。四极子声源则产生于强大气流中，速度高到 一定程度，气流即从层流变成湍流，产生大量旋涡而发声【1 0 1 。 2 ) 湍流噪声 通过对气流声的了解，知道在平稳气流与固体互相作用时会产生气流，如果气流速度 高到一定程度，气流中就包含大量旋涡而成为湍流，无需任何固体互相作用，气流本身就 成为声源，这便是所谓的湍流噪声，为气流声的一种。湍流是极为常见的一种流动，起源 于流动的不稳定性，流动的稳定性与雷诺数有关。所谓雷诺数，是雷诺通过长期试验研究， 发现流体的流动状态与流速、管道直径和流体运动粘性等因素有关，并总结出判断流体状 态的数值，并以其名命名，称为雷诺数。因此，雷诺数成为用来判断流体流动状态的标准， 用r e 表示。所以当雷诺数超过某一临界值时，气流发展成为湍流生成湍流噪声【l 。 9 两安。i ：业人学硕十学位论文 通过前面气流基本声源的介绍可以了解到，湍流噪声是四极子的球面声波。莱特希尔 ( m j l i g h t h i l l ) 首先利用瑞利声学类比法将湍流波动方程求出解，从而推导出了湍 流噪声的声压 p 古僻1 9 0 u 2 d 3 , 。詈警 仁峋 而湍流噪声的功率 w = k d 2 p o u 8 c 0 5 ( 2 1 7 ) 其中喷口的直径为d ，喷注速度为u ，风为静止介质的密度，为其声速，为距声 源的距离，k 为莱特希尔常数，实验值约为3 1 0 一。( 2 1 7 ) 式便是著名的莱特希尔的速 度八方定律，为大量实验基本证明【7 1 。 虽然莱特希尔推得出八方定律，得知湍流噪声的声压与喷注速度有关，但依然很难求 得湍流噪声的声压值，这时声学家考虑到用气室压力来预计湍流噪声1 7 1 。在排气放空实验 中证明了湍流噪声的声压与气室压力有确切的关系，其湍流噪声声压为 p 旦j 量二堡l 里竺上墨上( 2 1 8 )4 ，鼻+ ( 鼻一昂)，只一o 5 r 、 其中弓为气室压强或驻压，只为大气压，d 为喷e 1 的直径，为距喷口的距离，此式完全 符合在与喷注成9 0 。方向的湍流噪声测量结果，因此在9 0 。方向喷口l m 处湍流噪声声压级 就是 l p = 8 0 + 2 0 l o g 黑+ 2 0 l o g d ( 2 1 9 ) 式中r = 暑e o ，d 为喷口直型7 1 。 2 1 2 泄漏噪声的特性 在压力系统或真空系统漏气时，所产生的泄漏噪声便属于以上所述的湍流噪声。因此 漏气噪声为球面声波，其产生的超声波频带比较宽，一般在2 0 k h z 到1 0 0 k h z 之间，它可 在空气中传播，被称作空载超声波m i 。如图2 1 所示，给出了气体泄漏噪声与环境噪声的 典型频谱曲线f 1 3 j ，由图2 1 可以看出，在高于2 0 k h z 的超声波频谱范围内，环境噪声声压 较低，泄漏噪声声压较高。 1 0 2 泄漏噪声特性分析及超卢衰减 图2 1泄漏噪声与环境噪声的典型频谱 再从( 2 1 9 ) 式可以看出，当与漏气孔的距离一定时，泄漏噪声的声压级是随着漏气孔 尺寸和系统压力的变化而变化的i 1 4 i 。在不同的频率点，泄漏噪声的声压级是不同的。实 际上，它的频谱峰值也是随着泄漏孔的尺寸和压力的变化而变化的。比如：在一定的泄漏 孔径和压力下，如果泄漏噪声的频谱峰值是在3 8 k h z 点，那么加大孔径以后它的频谱峰值 可能出现在3 6 k h z 点；如果孔径不变，加大系统内外压差，频谱峰值可能出现在4 3 k h z 点。但是在同一频率点，对于形状相同的泄漏孔，泄漏所产生的超声波的声强随泄漏量的 增大而增大。另外，如果泄漏量恒定，即泄漏面积一定，则泄漏孔的形状越接近于圆形， 声压越高。当泄漏孔的雷诺数用式( 2 2 0 ) 表示时，在4 0 k h z 点声压与雷诺数之间的关系如 图2 2 所示1 1 4 1 。 两安 ：业人学硕十学位论文 1 0 0 03 0 0 05 0 0 07 0 0 0 9 0 0 011 0 0 0 雷诺数r e 图2 2 声压级与雷诺数的关系 兄：p v d ( 2 2 0 ) 式中，p 为气体密度；为粘度；y 为流速；d 为力学平均直径。由图2 2 可知，如果能 检测出泄漏孔附近在某一个频率点的声强，则可以推算出该泄漏孔的雷诺数。对于该泄漏 孔，由于它的力学平均直径是确定的，所以这时雷诺数与气体泄漏量成正比关系。但是对 于不同的泄漏孔，并不知道它的力学平均直径，因此光知道雷诺数还不能求出泄漏量。在 工业上，对于管道气体，由于有源源不断的气体补给，管道里面的气压一般都是恒定值。 而对于工业容器，由于小孔泄漏的泄漏量非常微弱，容器当中的压力变化非常缓慢，所以 可以认为在一段时期内是恒定值。当系统内外压力一定时，对于不同的泄漏孔，它的泄漏 流速都是一定的，可以用公式( 2 2 1 ) 来表示： y = k p l 缈( o ) 厕 咖，_ 盛万 0 5 2 8 仃 1 ( 2 2 1 ) 0 仃 l ，散射衰减系数q 哎= a d 3 f 4 ( 2 2 2 ) 其中厂为超声波频率，上式是晶粒的瑞力散射。 当兰l ， 口，= b d f 2( 2 2 3 ) 称为s t o c h a s t r z 散射，或二次散射。 当兰 1 ， 哎2c五jl(224) 称为扩散散射【1 3 1 。在本课题中，此泄漏噪声信号是个宽频带信号，因此，总的散射衰减 系数为以上三种散射之和。 2 a d 3 f 4 + b d f 2 + c 吉 ( 2 2 5 ) 由于介质内耗所产生的吸收衰减。它是由于介质本身的粘滞性和热传导所引起的， 介质对超声波的总吸收系数 口：笔i 昙材+ ( y _ 1 ) t ci ( 2 2 6 ) 弘谚p + i j q 2 由于各种吸收均与声波频率有关，频率越高的声波，介质对其系数将越大。一般地说， 气体吸收系数最大，固体最小，而液体居中。因此超声波在气体中传衰减是很大的0 6 - 1 8 1 。 2 3 本章小结 本章首先描述了气流声的几种基本声源的声压和声功率，由此得知泄漏噪声属于气流 两安：i ：业人学硕十学位论文 声中的湍流噪声以及泄漏噪声产生的原因；其次通过对湍流噪声的分析，了解了泄漏噪声 的特性。最后介绍了超声波在传播过程中的衰减情况，得知超声波在气体传播中衰减最大。 1 4 3 检漏仪系统的总体设计方案 3 检漏仪系统的总体设计方案 在掌握了压力系统和真空系统泄漏所产生的泄漏噪声特性的基础上，本课题主要研究 了基于d s p 技术的信号采集系统在超声检测中的应用。本设计用于测试压力系统或真空 系统的泄漏情况，从而提高了普通检漏仪的自动化水平，使泄漏检测更加方便、简捷。下 面具体介绍整个系统总体的设计方案。 3 1 检漏仪整体结构介绍 在第2 章中通过对泄漏噪声信号特性的分析，对泄漏噪声有了充分的认识，为实现方 便、简捷、有效的泄漏检测，本检漏仪整体结构如图3 1 所示，分为三部分： 超声 液晶显示电路梗 图3 1 检漏仪结构示意图 感器 信号接收部分；在这部分中包括超声波探头的选择安装和定位激光灯的设计； 控制部分：这部分包括信号预处理、d s p 数据采集处理系统以及报警、液晶显示 和定位激光灯的控制，也是本检漏仪的核心部分； 供电部分：实现电池和直流电源双重供电。 3 2 信号接收部分设计 3 2 1 超声波探头的选择 从第2 章图2 1 可以看出：漏气噪声的能量主要分布l o k h z 到5 0 k h z ，频率在l o k h z 以 上，泄漏噪声信号基本趋于稳定，在一定频段内声压级较高，而环境噪声声压级迅速降低， 1 5 两安i ：业人学硕+ 学位论文 整体的声压级比泄漏噪声声压级较低。由这样频谱特性可知，对被检系统进行信号的采集， 将采集到的时域信号转为频域，可以很容易分辨出泄漏噪声的存在，为能更准确地判