基于频谱分析的压缩空气泄漏直射和反射超声的识别

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

Distinguishing between directed and reflected ultrasonic signals generated by a compressedair leak source based on spectral analysisLIAO Ping-ping，CAI Mao-lin，XU Qi-yue，SHI Yah(School of Automation Science and Electrical Engineering，Beijing University of Aeronautics and Astronautics，Bering 100191，China)Abstract： The principle of compressed air leak ultrasonic detection in pneumatic systems Was introduced.The detectionmistakes caused by a reflected ultrasonic was analyzed and a method solving this problem through distinguishing a reflectedultrasonic Was proposed.Compressed air leak directed and reflected ultrasonic signals were studied through measurement tests。

The obvious diferences between the spectra of directed and reflected ultrasonic signals were found and analyzed.An algorithmfor distinguishing a reflected ultrasonic Was designed and using it the reflectance characteristic coeficient(RCC)of thereflected ultrasonic Was calculated.From the case study，it Was shown that the RCC value of a directed ultrasonic signal isbelow 100 while that of a reflected ultrasonic signal is above 200.Th e results were valuable for distinguishing a reflectedultrasonic and avoiding detection mistakes caused by a reflected ultrasonic in ultrasonic leak detection。

Key words：compressed air；leak；ultrasonic detection；directed；reflected；reflectance characteristic coefficient(RCC)气动系统的运行过程中普遍存在着严重的泄漏问题，据统计，工厂中泄漏的压缩空气通常占工厂总耗气量的10% -30%l J，全国每年由于压缩空气泄漏导致的能源浪费高达 400亿度电。为了降低气动系统因泄漏造成的损失，通常采用泄漏检测技术，对压缩空气泄漏源进行排查、修善。目前，压缩空气泄漏检测方法主要有：水检法、示踪气体法、红外成像法、超声波检测法等 ]。其中超声波检测法利用超声波传播的定向性对泄漏源进行检测3 J。当压缩空气从泄漏源流出时，产生的湍流会在泄漏孔附近产生超声波，由于超声波的传播具有定向性，因此通过检测泄漏源产生的超声波信号可有效确定泄漏源的方位，目前对泄漏超声检测基金项目：国家科技支撑计划(2011BAF05B04)收稿 日期 ：2012-03-20 修改稿收到日期：2012-05-30第-作者 廖平平 男，博士生，1986年7月生技术的研究主要有泄漏超声特性的研究以及不同应用诚的超声检漏仪器或装置的研究等。植木孝 研究了用于气体泄漏检测的超声波检测器，并对泄漏源超声的频谱、空间分布、泄漏量与声压级的关系、传播的衰减等特性进行了初步的研究；Olesen等 研究了超声波在烃气泄漏检测中的应用。Gregory等 对基于空气传播的超声检测在气体泄漏检测方面的可行性做了深入的研究。Champaigne等 研究了无线超声 自动检漏系统在 NASA国际空间站气体泄漏检测中的应用，李进等 研究了-种用于压力容器泄漏检测的超声波检漏装置，江洋等 探讨了压缩空气凶泄漏超声频谱中声压级与雷诺数之间的函数关系。

由于该技术原理简单、使用方便且可在线检测，在工厂中被广泛使用，目前国内外已成功开发多款气体泄漏超声检测仪器，如美国 CTRL生产的 UL101超声检测仪、德国 CS仪器生产的 LD300泄漏检测仪、国内第8期 廖平平等：基于频谱分析的压缩空气泄漏直射和反射超声的识别 59ECOSO生产的ALS-200泄漏点扫描枪等，取得 良好的市场反响。

然而，气动回路分散在工厂中，而工厂中存在较多反射物，如金属外壳、墙壁等。当泄漏源超声信号经过反射物传播到超声传感器，反射处会被误检存在泄漏源，而实际泄漏源却被漏检。当前的研究主要针对简单的直射泄漏情况，关于如何避免由反射超声信号导致的误检问题尚未见相关报道，而在复杂的气动系统泄漏检测中，反射超声信号却普遍存在。为了避免由反射超声信号导致的泄漏源错误检测问题，本文通过对泄漏源直射和反射超声信号进行测量研究，针对它们不同的频谱特性，设计泄漏源直射与反射超声信号的识别算法，为避免由反射超声波导致的检测错误问题提供-条重要的实用途径。

1 压缩空气泄漏产生超声波的机理压缩空气泄漏时雷诺数-般较高，形成湍流射流。

湍流的流动空间中分布着无数大型形状各不相同的漩涡；射流的流动空间不断加厚，特别是过渡段和主段以后的流动空间，由于射出的气流比周围气体速度大得多，周围的气体会不断地被卷吸进流动区域，因而也会不断地形成漩涡。因此，对于湍流射流来说，从靠近狭缝处的初始段至主段以后的很长的区域内，将会不断地产生漩涡，并且这些漩涡又在不断地发展、破裂，产生新的漩涡。根据涡动力学理论，涡即流体声音 。

关于湍流射流产生声波的机理还可以通过 Light-hil方程式 解释：，02 2 02、 a I -Co P -OXiXi ( )fp f-7 f(P-c p) (2)式中：t为时间；c 为声音在均匀介质中的速度； 为坐标；P为气体密度； 为 Lighthil应力张量； ；为 i方向速度分量； 为粘性应力张量；P为气体压力；6if为克朗内克8函数。

式(1)表达了全空间内气体密度的动态情况。等号右边称为声源项，该项如各处为零，则无表示 自发声波的解。 若为有限值 ，则发生 自发声波。射流时，由于静止气体间发生流动的紊乱，所以项为pv 有限值 ，即必然发生射流声l 。而对于压缩空气泄漏来说，这些声音中含有大量的超声波成分，通过检测泄漏产生的超声波即可实现对泄漏点的检测。

2 直射和反射超声信号的测量实验2.1 实验目的如图 1所示，实际泄漏源产生的超声波信号经过反射物反射后，被超声传感器检测到，检测者将误认为反射物处存在泄漏源。如果能对直射超声信号和反射超声信号用数字信号处理的方法进行区分，这种误检的情况即可避免。为研究两种超声信号的特性，设计了直射和反射超声信号的测量实验。

实际泄漏点/ L及羽仞J、超声波传感器图 1 反射超声波导致的错误检测示意图Fig.1 Error detection caused by reflected ultrasonic signal2.2 泄漏模拟 回路压缩空气泄漏模拟回路如图 2所示，泄漏凶 自制，减压阀和节流阀分别用来调节管路压力和流量，以调节泄漏量的大校1气源 ；2过滤器；3减压阀；4压力表；5残压释放阀；6节流阀；7泄漏fl，L图2 压缩空气泄漏模拟回路Fig.2 Simulated pneumatic circuit of compressed air leak2.3 测量原理压缩 空气泄漏产生的超声波在 40 kHz左右的频率段中，泄漏产生的超声波和环境本底噪声在能量上差值较大M J，如图 3所示。所以-般采用额定频率为 40kHz的超声波传感器。本实验中采用富士 FUS40.CR超声波传感器，其额定频率为40 kHz，带宽为 6 kHz。

超声波传感器将超声信图3 本底噪声与泄漏声声压图Fig.3 Sound pressure ofbackground noise and leak sound号转换成电压信号，电压幅值较小，因此需要滤波和放大。滤波和放大后的信号经过研华 PCI-1716数据采集卡采集 ，采样频率取 240 kHz，PC机获取并由测试程序进行处理、分析采集的数据。图4和图 5分别为泄漏源超声波直射情况和反射情况下测量原理图。

测量直射超声信号时，超声波传感器朝向正对泄漏气流，如图4所示。测量反射超声信号时，传感器的朝向正对反射超声波的传播方向，泄漏fl，SfL与超声波第8期 廖平平等：基于频谱分析的压缩空气泄漏直射和反射超声的识别 61图 12 反射超声信号频谱(反射面为布料)Fig.12 Spectrum of reflected ultrasonic signal(with a reflecting surface of cotton materia1)由图8～图 12可以看出，直射超声信号在中心频率两侧几乎呈现单调递增(左侧)或单调递减 (右侧)趋势，频谱能量主要集中在中心频率附近。而反射超声信号在中心频率附近没有明显的峰值，呈现多峰状”，频谱能量分布于 38～47 kHz之间的相对较宽的频率段范围内，频谱趋势具有波动性。造成这种差别的原因主要是由于反射面对不同频率的入射超声信号的反射系数不同 。直射和反射超声信号在频谱形状上存在比较明显的区别，主要体现在两个方面：(1)相对于反射超声信号的频谱，直射超声信号的频谱在中心频率附近分布较为集中。

(2)直射超声信号的频谱低频趋势呈单峰状”，即波动较小；反射超声信号的频谱低频趋势呈多峰状”，即波动较大。

以上分析表明，泄漏直射和反射超声信号在频谱上存在明显的区别，根据上述两方面的区别，设计识别算法，对直射和反射超声信号进行识别。

4 识别算法为了对直射和反射超声信号进行有效的识别，根据上述的直射和反射超声信号频谱的两个不同点，设计如下识别算法，以得到可识别反射超声信号的反射特征系数 RCC(Reflectance Characteristic Coeficient)。

(1)在35kHz到 50kHz的频谱图形中，从其与横轴形成的面积重心横坐标(中心频率)开始，向左依次取适当长度的Ⅳ个窗，在窗内计算频谱幅度平方的平均值 (n1，2，3Ⅳ)， 代表频谱图上不同频率段的能量分布。

(2)依次比较相邻的 l，n值，当出现 的值大于的值时，计算二者的方差A ，然后乘以加权系数R ，得到 REF ，所有 REF 相加，它们的总和 REF如下式所示 ：N ⅣREF ∑ REF ∑ RnA (3)n ： l n lYn1 > Yn Yn1> YnREF反映了 的波动程度，即表征了频谱 的波动性。

(3)在工业现场中，超声检漏仪经常同时检测到直射和反射超声信号，将这种直射与反射信号的叠加信号称作混合信号。由于混合信号兼具反射和直射信号的特征，在利用式(3)计算时，混合信号和反射信号的得到的结果类似，而只希望将反射超声信号去除，所以在式(3)中右边减去 KD，其中K为常系数；D为中心频率附近 ±1 kHz频率范围内的能量与 35～50 kHz频率范围内的总能量之比，反映了频谱能量在中心频率附近的集中程度。

(4)最终计算式为反射特征系数RCCREF-KD (4)RCC的值越大，表明检测到的超声信号越有可能是反射信号；RCC的值越小，表明检测到的超声信号是直射或混合信号的可能性越大。

可以看出，识别算法利用反射超声信号频谱图中不同频率段的幅值的波动性进行识别，识别结果不受超声信号绝对幅值的影响，且对不同的反射面其参数设计是相同的。即识别算法不依赖于超声信号的距离、入射角和反射面材质等因素，因此，面对工业现场中泄漏点距离、人射角和反射面材质-般均为未知的实际情况，同样具有良好的适用性。

5 计算实例与验证利用上述算法对多组泄漏超声信号数据进行分析与计算，其结果如表 1所示。

表 1 直射和反射超声信号识别结果Tab.1 Result of distinguishing directedand reflected ultrasonic signal由表 1可以看出，所有的反射超声信号 RCC值都大于200，而所有的直射超声信号 RCC都在 100以下，因此 ，根据超声信号的 RCC值可以准确判断其是否为反射超声信号。

62 振 动 与 冲 击 2013年第 32卷6 结 论为了避免由反射超声信号导致的泄漏源错误检测问题 ，提高泄漏源超声检测技术的准确性，本文对直射与反射超声信号进行研究，并设计两种信号的识别算法，结论如下：(1) 直射和反射超声信号在频谱形状上具有较明显的区别，其中直射超声信号的频谱在中心频率附近分布较为集中，而反射超声信号的频谱在中心频率附近分布，比较分散。另外，直射超声信号的频谱低频趋势呈单峰状”，即波动较小；反射超声信号的频谱低频趋势呈多峰状”，即波动较大。

(2)通过设计识别算法，得到反射特征系数 RCC，直射超声信号的RCC值在 100以下，反射超声信号的RCC值在200以上。因此，采用本文设计的识别算法可对直射和反射超声信号进行有效的区分。

本研究成果为提高泄漏源超声检测技术的准确性提供-条重要的途径，促进该技术的发展。

由于本文提出的识别算法中的加权系数需要根据经验设定，具有主观性，以后的研究中应该采用基于人工智能的识别方法，如人工神经网络、支持向量机等智能分类算法。