Page 157 - 《应用声学》2020年第3期

第 39 卷 第 3 期 王强等： 输气管道泄漏的波达时差交叉定位方法 477

道规格和泄漏孔规格等条件不变，则两次定位的信 漏点的距离和相对角度，并按照此相对位置布放阵
源条件可视为不变。传感器阵列采用支架固定，实 列。因此，两次采样的实验条件、阵列安装、阵列相
验室地面平坦且支架高度固定，改变位置后可保证 对位置等参数得以保证。综上所述，实验步骤为：储
阵列高度、阵元相对位置等条件基本不变。按图4所 气罐充满气后关闭空压机，调节减压阀为管道提供
示以阵列位置连线为 y 轴建立空间直角坐标系，保 0.6 MPa 压力输出；使用传感器阵列先后在两个不
持阵列平面与 xOz 面重合 (即阵列平面保持竖直)。 同位置对泄漏信号进行采集；导出不同位置所采集
预先设定阵列两次布放位置的坐标，计算阵列与泄 信号，使用本文定位算法完成定位。

͜ਖ٨2

20.5 cm
49.5 cm 48.5 cm

͜ਖ٨1 ͜ਖ٨3
22.5 cm

͜ਖ٨4
(a) ࠄྭڏ (b) ᇨਓڏ

图 6 传感器阵列
Fig. 6 Sensor array

4.2 声源模型对比 4 相对于参考传感器延时 τ 2−1 、τ 3−1 、τ 4−1 的估计结
阵列第一次布放的位置 p 1 坐标为 (1.90 m, 0, 果如表 2 所示。根据阵列中各传感器和泄漏点的位
0)，第二次布放位置 p 2 坐标为 (−1.90 m, 0, 0)，泄 置，计算出远近场声源的理论延时值并在表 2 中一
漏点 g 的坐标为 (0, 3.10 m, −0.84 m)，则声源与 同给出。对比可知，实验条件下的泄漏声源更趋近
两阵列的距离 r 均为 3.73 m。根据本文第 2 节多 于远场声源。如图 2 所示以阵列平面为 xOy 面建立
次延时估计结果得到的声速平均值 349.5 m/s，以 空间直角坐标系，根据图 6(b) 所示传感器位置关
最高频率 500 Hz 计算所截取信号最小波长 λ 为 系，将延时估计结果带入式 (2) 得到两组空间方位
787.8 mm。如图 6(b)阵列示意图所示可得传感器 1 坐标。再将空间方位计算结果转换至图 4 所示坐标
和传感器 4 的间距(最大阵元间距) d 为54.4 cm，由 系，得到转换后的坐标为 (122.0 , 78.1 ) 和 (58.1 ,
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◦
2
判据 r > 2d /λ 计算得到远场声源与阵列之间距离 77.0 )，与理论值较为接近。将阵列位置坐标以及
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的临界值为 0.75 m，因此本文实验条件下泄漏声源 方位角带入式 (7) 得伪交点 s 的坐标为 (−0.004 m,
满足远场声源判据。根据本文第 3 节对空间方位角 3.047 m, −0.791 m)，相较于与泄漏点 g(0, 3.10 m,
(θ, φ) 的定义，计算得泄漏点 g 相对于布放位置 p 1 、 −0.84 m)的误差为0.07 m。将延时估计结果带入近
p 2 的空间方位角坐标为 (121.5 , 77.07 ) 和 (58.5 , 场声源模型进行空间定位，此时无法得出有效解，进
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77.07 )。将传感器 1 设为参考传感器，传感器 2、3、 一步说明实验条件下泄漏源为远场声源。
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表 2 延时估计值与理论值对比
Table 2 Comparison between estimated and theoretical values
of time delay

p 1 (1.9 m, 0, 0) P 2 (−1.9 m, 0, 0)
延时
τ 2−1 /ms τ 3−1 /ms τ 4−1 /ms τ 2−1 /ms τ 3−1 /ms τ 4−1 /ms
估计值 0.6114 1.4538 0.8692 0.8658 1.4887 0.6270
近场值 0.6399 1.4218 0.9118 0.7933 1.4162 0.5215
远场值 0.5900 1.4281 0.8655 0.8526 1.4281 0.5773