Page 164 - 《应用声学》2022年第1期

160 2022 年 1 月

释放的能量”，符号用E 表示。将式(1) ∼ (3)联立可 1.2.2 传统衰减定位模型
得能量衰减系数α E 约为幅值衰减系数的2倍，即： 传统的基于衰减模型定位的方法中，两个传感
器放在声发射源异侧，距离分别为 x 1 和 x 2 ，两传
α E ≈ 2α. (5)
感器距离和 L = x 1 + x 2 直接测出，距离差用式 (8)
1.1.2 声发射波的衰减
计算：
引起声发射衰减的原因主要有扩散衰减、散射 1 [ E (x 1 ) ]
衰减和吸收衰减3个方面。 x 1 − x 2 = α E ln E (x 2 ) , (8)
扩散衰减指声波向四周传播，能量也向四周扩 于是，得到声发射源到传感器1的距离：
散，随着声波传播距离的增加，单位面积的声波能量 L 1 [ E (x 1 ) ]
及声压降低的现象。输气管道泄漏声波在均匀管壁 x 1 = 2 − 2α E ln E (x 2 ) . (9)
上传播时可看作平面波 [17] ，不存在扩散衰减。
1.2.3 宽频带声发射源定位模型
散射衰减指声波在介质中传播时，因碰到各种
由式 (6) 和式 (7) 可知声发射波衰减系数与信
散射体而使部分声波偏离原方向，导致原方向声波
号频率的关系十分密切 [15] ，针对其频率较高频带较
减弱的现象。散射衰减系数 α S 根据晶粒直径和信
宽的特点，将传统衰减定位模型直接应用在声发射
号波长的关系不同也有所变化 [18] ，声发射波长远大
信号上会出现较大的误差。因此，本文提出宽频带
于无缝钢晶粒直径，可用式(6)表示：
声发射源定位模型，将滤波后的有效信号按照频率
2 4
4
8π L f
c
α S = 4 S, (6) 分解后再计算各成分对应的衰减系数，最后各成分
9v
0 分别定位。值得一提的是，信号在管道中持续传播
式 (6) 中，L c 为平均晶粒直径；v 0 为纵波速；S 为散
可能发生频率漂移，但漂移率不超过±4% [20] ，对于
射因数，是关于入射波和散射波的函数 [19] 。
衰减系数的计算影响不大。
吸收衰减：由于介质的热传导，介质的稠密和
宽频带声发射源定位方法具体如下：
稀疏部分之间发生热交换，造成热流损失，热流衰减
(1) 确定小波包基函数和分解层数。
系数α A 可用式(7) [18] 表示： (2) 根据泄漏检测阈值选择节点。
σ
2πf 2 χ E − E θ (3) 计算各有效节点衰减系数，频率代入各节
α A = 3 , (7)
ρv C V E θ
0 点中心频率。
(4) 计算各有效节点能量值，利用式(9) 分别定
式 (7) 中，ρ 为管道密度；χ 为管道热传导系数；C V
为钢管定容比热容；E 为相应的弹性系数，右上角的 位，对各节点定位结果取均值便可得到准确的泄漏
σ、θ 分别代表绝热值和恒温值。 源位置信息。
本文将其他衰减因素如频散、相邻介质 “泄漏”
1.2.4 三传感器定位模型
等先简化为 α ，使声波衰减模型在工程应用上更有
′
无论是传统的声波衰减定位模型还是本文提
意义，即认为 α = α S + α A + α 。实际结构中声发
′
出的宽频带声发射源定位模型，都需要对信号进行
射衰减机制十分复杂，必须在理论分析的基础上进
预处理，且处理后的信号越接近真实泄漏信号，定位
行实验验证。
结果越准确。然而实际情况是无论采用何种方法组
1.2 声发射源定位模型的建立 合，处理后的信号仍然含有噪声成分并且势必会丢
1.2.1 泄漏检测阈值 失一部分有效信息，造成定位误差。针对信号处理
根据声发射衰减模型，泄漏率较小或传感器距 带来的这些问题，本文尝试增加一个传感器，则考虑
泄漏源较远时，信号中噪声能量占比突出，不仅影响 环境噪声后3个传感器能量为
定位精度，甚至几乎无法判断是否有泄漏。本文依 
 E (x 1 ) = E 0 e −α E x 1 + E s1 ,

据经验，当测得信号能量值超过无泄漏时的 110%， 

E (x 2 ) = E 0 e −α E x 2 + E s2 , (10)
即当测得的E(x)大于1.1E s (E s 为噪声能量)时，认 


 E (x 3 ) = E 0 e −α E x 3 + E s3 ,
为泄漏产生，再进行定位。