應用聲發射法定量檢測閥門內漏的可行性研究

摘要：通過實驗室模擬艦船閥門的內漏，分析研究了閥門內漏的主要信號源的特征，準確提取了泄漏信號的特征參數，建立了特征參數與不同泄漏量之間的對應關系，為今后閥門內漏檢測的實際應用提供了真實可靠的技術依據和建議，具有較強的針對性和實效性。

關鍵詞：聲發射 檢測 泄漏 閥門

中圖分類號:TN912.2 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X(2011)12(a)-0000-00

試驗方法及原理

試驗方法

試驗在實驗室完全模擬船上環境條件下進行。采用北京鵬翔科技有限公司生產的PXWAE全波形聲發射檢測儀實時采集信號。試驗的主要儀器及參數如表1所示。

表1 信號采集儀器及其主要參數

儀器名稱PXR15聲發射傳感器PXPA前置

放大器PXMA聲發射信號調理裝置PXDAQ聲發射采集卡系統軟件

主要參數150KHz中心頻率增益40dB，帶寬15KHz-2MHz提供10和100倍可選增益12位精度20MHz采樣率PXWAE-S

聲發射檢測基本原理

泄漏發生時，閥門內漏可看作一個噴流過程，閥體內介質會從密封面的縫隙噴射而出，形成紊流，此紊流對密封表面產生沖擊而激發彈性波。由于管道本身并不釋放能量，而是因為泄漏點液體在管道中激發應力波，管壁只是作為波導，應力波反映材料結構上的狀況變化。因此，可以把閥門泄漏所激發的應力波看作是一種廣義的聲發射現象。閥門內漏聲學分析模型見圖1。用聲發射傳感器接觸閥體外壁，接收泄漏產生的在閥體中傳播的彈性波，轉換成電信號，經信號放大處理后進行分析、顯示和監聽，從而達到檢測閥門泄漏的目的。

小波及小波包分析理論

設，其傅里葉變換為，滿足允許性條件：

（1）

那么叫做基本小波或母小波。

基本小波經過平移和壓縮即可得到小波序列：

（2）

其中，a為伸縮因子，b為平移因子。

小波變換可定義為：

(3）

小波變換的時頻特性與短時傅里葉的時頻窗口不一樣，其窗口形狀為兩個矩形，窗口中心為，時窗和頻窗寬分別為。其中b僅僅影響窗口在相平面時間軸上的位置，而a不僅影響窗口在頻率軸上的位置，也影響窗口的形狀，這樣小波變換對不同的頻率在時域上的取樣步長是調節型的，即在低頻時小波變換的時間分辨率較差，而頻率分辨率較高；在高頻時小波變換的時間分辨率較高，而頻率分辨率較低，這正符合低頻信號變化緩慢而高頻信號變化迅速的特點。

小波包提供了一種更為精細的分析方法，對頻帶進行多層次劃分，對小波分析沒有細分的高頻信號進行深層次的分解，提高了時頻分辨率。圖2所示為3層小波包分解小波樹示意圖。

小波包的每次分解都是把信號分解為兩個信號，假設采樣頻率為fs，根據奈奎斯特采樣定律，采集到的信號頻率區間為[0，fs/2]。則三層小波包分解后，各節點頻率分布如表2所示。

閥門內漏的主要信號源的識別與分析

圖3、4為試驗采集的閥門正常運行及泄漏時原始信號。由圖可知，泄漏信號為連續型聲發射信號，相對正常運行狀態為高頻信號。因此，可通過小波分析的高頻重構信號作為泄漏信號分析的依據。

試驗選用db4小波包對信號進行6層分解，提取各層信號的能量特征，如圖5所示。由圖可知，泄漏信號高頻部分主要分布在節點（6，1）（6，2），（6，3）上。分別選取泄漏前后信號的前204800個點進行（6，1）（6，2），（6，3）節點信號的比較，發現這三個節點都包含有明顯的泄漏信息。因此，選取（6，1）（6，2），（6，3）作為特征小波包進行高頻重構，得到泄漏信號的高頻特征。

對比高頻信號PSD圖，可知泄漏信號高頻部分主要分布于80KHz～160KHz之間，在100KHz附近集中。

為了獲得真實的泄漏信號，需對80KHz～160KHz的高頻信號再次進行重構，重構結果如圖7所示。

通過數據分析可以看到，采集的應力波強度與泄漏量有一定的對應關系，經過數據擬合，可得到泄漏量與應力波強度的關系式。

閥門開啟量（泄漏量）與聲發射信號強度擬合分析

其多項式擬合方程：

由圖8可知，隨著內漏量從無到有的增大，其頻率呈現出往高頻集中的趨勢，并且聲發射信號強度越來越高。這是隨著泄漏的增大，形成的湍流越大。泄漏量到一定后，隨著泄漏量的增加，形成的湍流趨于緩和， 聲發射信號強度也隨著降低。與聲發射檢測泄漏的原理是一致的。

結論

⑴ 通過實驗室研究，實現了閥門內漏的聲發射檢測，有效提取了內漏聲發射信號特征，建立了不同泄漏尺寸下，信號特征的變化規律，利用RMS值、頻譜圖、小波分析等綜合分析，以及數據擬合，達到了閥門內漏的有效識別和定量分析。

⑵ 通過時頻分析，發現了內漏信號具有一定的周期性，不同泄漏量激發的聲發射信號具有一定的相似性，但在小波能量系數、RMS值等特征參數方面存在一定的差異。

⑶ 本研究所建立的特征參數與泄漏量之間對應關系，為今后閥門內漏檢測的實際應用提供了真實可靠的技術依據和建議。具有較強的針對性和實效性，獲得的結果具有較高的準確度和可重復性。

參考文獻

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