基于声发射的真空泄漏在线检测技术研究

发布日期：2017-06-08 23:19　　　浏览次数：次

真空泄漏是气体动力系统运行过程中的常见现象，真空结构一旦发生气体泄漏，则会影响真空结构的密封性，降低系统的运行安全系数与经济性，轻则造成一定的经济损失，重则成为系统运行的安全隐患。因此，泄漏状况监测是真空设备安全预警的保证，实现对气体动力系统泄漏状态的在线监测就有了较为重要的意义。目前的真空泄漏检测定位手段主要是真空氦质谱检漏法，氦质谱检漏法依据质谱学原理，利用氦气作示漏气体进行气密性检测，优点是本底噪声小、氦气本身安全无污染、检测灵敏度高，然而该方法用于真空泄漏检测定位也有一定的不足，如: 氦质谱检漏工艺复杂，在面向大型结构部件时难以实现对泄漏源的快速定位，只适合做验证性检测; 不能实现对真空泄漏源的在线检测。

声发射检测是一种先进的在线无损检测技术，该方法利用材料局部能量的快速释放而发出的瞬态弹性波来研究结构的漏孔、裂纹等动态缺陷信息。目前，声发射技术已经广泛应用于岩石破裂［1 － 3］、复合材料完整性分析［4］、大型建筑结构［5 － 6］和原油储罐罐底腐蚀检测［7 － 8］等领域并取得一定的研究成果。国内外学者对于声发射技术在泄漏检测领域的应用进行了一些研究工作。Holland 等［9］利用模态声发射理论分析了真空载体结构的损坏状况，并采用互相关理论初步进行了泄漏源的定位计算。刘贵杰等［10］对阀门内漏产生的声发射现象进行了研究，讨论了阀门泄漏声发射现象的产生机理，并尝试利用EEMD 和HHT 变换应用于声发射特征信号处理并提取到阀门内漏声发射信号的特征。随着全波形记录声发射仪器的快速发展和波形特征分析技术等声发射信号处理手段的完善，声发射技术在无损检测领域的展现出独特的应用优势，尤其是在在线检测方向。

1 检测原理

根据气体动力声学理论，真空密封结构一旦发生气体泄漏，由泄漏孔流出的高速气流形成湍流射流，泄漏导致气体不规则运动并激发了大量声波信号，该信号属于喷流噪声。声波的形成原因包含了气流与漏孔结构的摩擦、不同速度气流层之间的摩擦和气体湍流漩涡间的相互作用。真空泄漏激发的声波信号传导至耦合在真空结构外壁的压电式声发射传感器，声波信号被转化为电信号，对采集到的声发射信号进行泄漏特征分析，实现声发射技术对真空泄漏现象的检测和泄漏信息的评估。

波形特征参数分析方法是声发射检测中常用的信号处理方法，该方法分析的主要依据是上升时间、幅值、有效值电平等典型声发射信号波形特征参数。真空气体泄漏现象激发的声发射信号为连续型声发射信号，适合评价连续型信号的信号特征有声发射信号波击( Hit) 数，信号波形最大幅值、平均信号幅值和平均信号强度。声发射信号特征分析对于评估真空泄漏状况有着重要意义。声发射信号为典型非平稳信号，单一声发射信号的参数特征值有偶然性，为了对真空泄漏声发射现象有更深刻的认识，本文拟结合声发射波形特征参数分析和平均频谱分析，平均频谱法基于平均值原理，对多个声发射信号做傅里叶变换得到相应信号频谱，计算得到频谱平均值，平均频谱的计算表达式如式( 1) 所示，其中S 代表声发射信号的激发条件，NS为获取的泄漏信号样本数量。

对平均频谱做逆傅里叶变换就可以得到声发射信号的平均时域波形，计算表达式如式( 2) 所示:

该方法能够克服单个信号的随机性，通过同类信号样本的叠加平均降低随机噪声的影响，提高有效声发射信号的信噪比，使得分析结果更具有统计学意义。

小波包分析是一种分析非平稳信号的有效方法，相比于小波变换，小波包分析将频带进行了多层次划分，并根据被分析信号的特征，自适应地选择相应频带，从而在低频和高频部分都提高了信号的时频分辨率。本文将采集到真空泵本底振动信号及不同孔径漏孔激发出的声发射信号进行了分析，以各种样本的平均时域波形为研究对象，构造不同泄漏状态下的声发射信号能量特征向量，进行小波包归一化能量频带特征分析。针对小波包分解时出现的频带错乱现象，将分解后的小波包频带顺序重新调整，调整后的频带按频率从低到高依次排列。

2 实验及相关设置

2. 1 实验平台搭建

图1 为搭建的声发射检测真空泄漏实验平台，包括:

( 1) 真空泄漏平台: 用1 m × 1 m 见方的302 不锈钢板做平台，钢板上预先打下直径1 mm、1． 5 mm、2 mm三种不同孔径的圆形泄漏孔，泄漏平台的组成部分包括真空泵、真空波纹管和数显式真空计等。

( 2) 声发射检测系统: 实验所用声发射仪器为美国物理声学公司( PAC) 的μSamos 型全数字多通道声发射检测系统，系统的主要参数配置及所用传感器参数如表1 所示。

2. 2 真空泄漏声发射信号采集

考虑到真空泄漏现象所激发的声发射信号的频带可能较宽，选用wsa 宽频型声发射传感器来接收真空气体泄漏所激发出的声发射信号。首先用超声耦合剂和磁座将声发射传感器固定于302 不锈钢板上，将前置放大器的增益设为40 dB，正式采集之前用Hsu-Nielsen 断铅原理验证声发射传感器的性能并确定背景噪声阈值。

启动真空泵开始抽真空，随着抽真空过程的持续进行，漏孔两端逐步形成气压差，一端为大气压，一端为准真空状态，待数显式真空计指示的漏孔两端压差稳定后，正式开始采集不同泄漏状态下的声发射信号，泄漏声发射信号样本包括真空泵运行的本底振动信号以及1 mm、1． 5 mm 和2 mm 孔径的漏孔所激发的声发射信号。

3 数据处理及讨论

真空气体动力系统中，为了保持住真空设备的真空度，真空泵会处于持续运行状态。真空泵的持续工作产生了大量的机械振动信号，部分振动信号通过真空波纹管传导至声发射传感器。为了满足在线检测的要求，声发射真空检漏系统需要克服真空泵运行对检测带来的振动信号的干扰。为此，获取并分析了真空泵运行时的本底振动信号，并通过计算得到真空泵振动信号的样本平均时域波形及平均频谱如图2 所示。

从图2 的真空泵运行的本底振动信号平均时域波形及频谱图上可以看出经过平均频谱运算的真空泵运行本底振动信号频带分布较为单一，主要分布在20kHz 频带以下，属于声发射领域中的典型低频信号，高频部分较为纯净。因此利用声发射技术检测真空泄漏时，为了消除真空泵本底振动信号带来的噪声引入，提高泄漏声发射信号的信噪比，需要添加硬件高通滤波器或对声发射仪器采集到的信号进行实时高通滤波，来消除真空泵运行对泄漏检测带来的影响。

分别对1 mm、1． 5 mm、2 mm 三种不同孔径的漏孔所激发的声发射信号进行计算得到三种泄漏状态下的平均时域波形和平均频谱。

从图3 中可以看出，三种不同孔径漏孔所激发出的声发射信号的平均时域波形及平均频谱既有相似性，也有一定的差异。首先，随着泄漏孔径的加大，泄漏声发射信号的幅值明显增加，信号幅值从孔径为1mm 时的1． 5 mV 到1． 5 mm 时的15 mV 以及2 mm 时的25 mV 左右，说明在同样的实验条件下，泄漏孔径越大，激发的声发射信号幅值越高，而在实际工程条件下，泄漏孔径的大小直接决定了泄漏量的大小，因此这一结论可以为利用声发射技术判断有无泄漏并预测泄漏量的大小提供参考依据。并且，三种不同孔径下产生的泄漏声发射信号均在100 kHz 频段附近有主要信号分量，当泄漏孔径为1 mm 时，还激发出了200 kHz 到350kHz 频段内的高频声发射信号。对三种孔径漏孔激发的声发射信号的平均时域波形信号特征参数值统计如表2 所示。从平均泄漏频谱图可以看出，真空泄漏产生声发射信号的频率在500 kHz 以下，对不同条件下激发的声发射信号平均时域波形进行小波包归一化能量特征分析。声发射仪的采样频率为3 MHz，采用小波包5 层能量分解，每个频带带宽为46． 875 kHz，考虑到泄漏声发射信号频谱和声发射传感器频率响应的上限，取前12 个频带进行归一化能量特征分析。

从三种孔径漏孔激发的声发射信号的平均时域波形信号特征参数值统计表可以看出，随着泄漏孔径的增大，信号的振幅和平均信号强度明显增强。根据英国科学家Lighthill 的气体动力声学理论，真空气体泄漏时有单极子声源、偶极子声源和四极子声源，三类流体动力声源的声功率分别与气体流速的四次方，六次方和八次方成正比，尤其是当气体流速较高时，四极子声源产生的声功率可大大超过其他两种。因此，分析声功率对于泄漏量的判断也具有一定的指导意义。

从图4 中可以看出，真空泵运行的本底振动信号的能量集中在前两个频带，其中第一频带能量约占总能量的53． 93%，真空泄漏声发射信号形成多个能量分布频带，漏孔激发的声发射信号的归一化能量特征分布在第二、三、五、八频带上，不同孔径漏孔激发的声发射信号的归一化能量特征分布有较好的一致性。结合泄漏声发射信号的平均频谱图可以看出，泄漏孔的孔径越小，激发出来的声发射信号的频率成分越丰富，信号的幅值越小; 泄漏孔径越大，泄漏孔径激发出的声发射信号的幅值越大，高频信号分量也随之减少。

真空气体泄漏产生大量的声发射信号，信号的频率覆盖了从低频到高频的多个频带，其中低频部分易与真空泵本底振动信号频带重叠，不适合用来做泄漏评估，而泄漏声发射信号的高频部分则由于其来源的唯一性更具有研究价值。

4 结论

( 1) 真空气体泄漏现象能够激发大量的声发射信号，泄漏声发射信号覆盖了低频到高频的多个频带，真空泵运行的本底振动信号能量集中在低频频带，做声发射真空泄漏分析时应该先消除真空泵运行的本底振动信号来提高泄漏声发射信号的信噪比。

( 2) 基于平均频谱原理分析了不同孔径的泄漏孔产生的声发射信号平均时域波形及平均频谱，结果表明，经过平均运算后的声发射信号参数特征有较强的可区分性，尤其是在不同孔径漏孔的声发射信号幅值相差较大，而泄露孔径是与泄漏量大小直接相关的，这样就为基于声发射技术的泄漏量预测奠定了基础。

( 3) 从小波包归一化能量特征分布图看，三种不同孔径泄漏声发射信号的归一化能量特征分布既有一定的相似性，又不尽相同，但都明显区别于真空泵本底振动信号能量分布特征。综上所述，基于声发射技术的真空泄漏在线检测技术有较高的可行性，真空泄漏模拟实验的分析结果表明，该技术的应用价值体现在真空泄漏现象的定性判断上。同时，本文的研究为泄漏量的预测和泄漏阶段的判定提供了一种新的在线无损检测方法。

参考文献

［1 ］凌同华，张胜，易志强，等．岩石声发射信号能量分布特

征的EMD 分析［J］．振动与冲击， 2012，31( 11) : 26 － 31．LING Tong-hua，ZHANG Sheng，YI Zhi-qiang， et al． Energy distribution characteristics of rock acoustic emission signals with EMD analysis ［J］． Journal of Vibration and Shock，2012，31( 11) : 26 － 31．

［2 ］ Lacidogna G，Manuello A，Carpinteri A，et al． Acoustic and electromagnetic emissions in rocks under compression ［C］．Proceedings of the SEM Annual Conference，Indianapolis: Society for Experimental Mechanics，2010， 924 － 931．

［3 ］ Kramadibrata S，Simangunsong G M，Matsui K，et al．Ｒole of acoustic emission for solving rock engineering problems in indonesian underground mining ［J］．Ｒock Mechanics and Ｒock Engineering，2011，44( 3) : 281 － 289．

［4］ Momon S，Moevus M，Godin N，et al． Acoustic emission and lifetime prediction during static fatigue tests on ceramic －matrix － composite at high temperature under air ［J］．Composites Part A: Applied Science and Manufacturing，2010，41( 7) : 913 － 918．

［5 ］ Schumacher T，Higgins C C，Lovejoy S C． Detection of vehicles with studded tires using acoustic emission sensors mounted to highway bridges［J］． Journal of TransportationEngineering，2010，136( 5) : 180 － 187．

［6 ］ Hadda H，Francois T J，Mohamed C． Comparative study of acoustic emission and scanning electron microscope to evaluate fracture process zone in concrete beams［J］． Journalof Materials in Civil Engineering，2010，22 ( 11 ) : 1156－ 1163．

［7 ］王伟魁，李一博，杜刚，等．基于聚类分析的罐底声发射检测信号融合方法［J］．振动与冲击， 2012，31( 17) : 181－ 185．

［8 ］杜刚，靳世久，付铜玲，等．基于平均频谱的储油罐罐底腐蚀声发射特征分析［J］．纳米技术与精密工程，2011，9( 2) : 157 － 161．

［9］ Holland S D，Ｒoberts Ｒ，Chimenti D E，et al． An ultrasonic array sensor for spacecraft leak direction finding ［J］．Ultrasonics，2006，45( 1 － 4) : 121 － 126．

［10］刘贵杰，徐萌，王欣，等．基于HHT 的管道阀门内漏声发射检测研究［J］．振动与冲击，2012，31 ( 23) : 62－ 66．

张涛1，曾周末1，李一博1，孟冬辉2，王伟魁1，边旭1，綦磊2，靳世久1

( 1．天津大学精仪学院，天津300072; 2．北京卫星环境工程所，北京100094)

< 上一篇：汽车起重机结构件焊接缺陷破坏过程的声发射检测

< 下一篇：不同温度作用后灰岩声发射特征研究