便攜式聲源定位系統的研制

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(中南大學 能源科學與工程學院, 長沙 410083)

在熱工檢測領域，經常需要對運送高溫高壓介質的管道進行檢測。處于惡劣環境下的承壓管道容易發生泄漏，泄漏發生時，管道內的高溫、高壓流體因內外壓力差，在通過裂縫噴射出來時形成射流，同時產生噴流噪聲[1]。聲學檢測技術可以通過頻譜分析和專家診斷迅速給出管道泄漏的情況評估，是一種比較先進的技術[2]。目前，電站鍋爐的承壓管監測系統普遍依靠區域性定位原理[3]，即通過比較各個聲探頭采集信號能量的大小，粗略估計聲發生源所在區域。這種監測系統體積龐大，傳感器數量多達40～60只，造價昂貴并且檢測精度低。在確保系統便攜性、低造價、高準確度的條件下，筆者開發了一套完整的聲源檢測與定位系統，為聲發射檢測儀器的設計提供了參考。

1 聲源定位系統功能與工作原理

聲源定位系統依靠被動接受聲發射源信號以及進行數學運算來實現聲源的特征分析與位置估計。與超聲波式、紅外線式檢測儀器不同，聲源定位系統不向外輻射電磁波，且安全性、隱蔽性、經濟性都比較好。系統可用于管道安全檢測與泄漏點定位、火炮位置自動識別[4]等場景。系統可識別聲頻率范圍為20 Hz～20 kHz，總質量為14.5 kg,能耗為500 W，平均相對誤差在15%以內。

便攜式聲源定位系統總體結構框圖如圖1所示。便攜式工控機作為整個系統的運算中心,通過搭載Microsoft.NET設計的操作界面實現人機交互。界面上的控件調用后臺程序實現數據采集控制、信號濾波與頻譜分析、聲源位置計算。數據采集模塊與工控機采用通用串行總線通信，工控機控制數據采集的起止與采樣率，傳感器模塊以同軸電纜與數據采集卡相連。系統以順序邏輯結構運行，開始數據采集后觀察信號頻譜圖的實時變化，若有突變高頻成分出現，提取這一段信號進行濾波處理。濾波后加窗分幀，進行互相關計算，得到時延估計值。最后定位程序將時延估計值與聲速、傳感器位置、迭代初始值代入進行迭代，直到收斂并輸出一個位置坐標與圖像。這樣，系統就完成了一次聲發射信號的頻譜分析與源位置顯示。

圖1 便攜式聲源定位系統總體結構框圖

2 系統硬件

2.1 傳感器陣列的設計與傳感器選擇

傳感器陣列的形式決定了傳感器的數量與聲源定位的分辨率。為了在傳感器數量最少的情況下實現空間任意方位的位置識別，系統采用正四面體的形式，傳感器間距0.5 m。傳感器標定后以0～3進行編號，每一個傳感器配備對應編號的組合式支架一個，與數據采集卡0～3的4個通道一一對應。0號傳感器所在位置定為空間坐標系原點，0，1，3號傳感器確定了xoy平面，2，0，3號傳感器確定了xoz平面。傳感器在支架上采用螺栓連接的形式固定,表面開螺紋孔減少損傷。支架豎直和水平方向設有刻度尺，可有效減小傳感器安裝位置的偏差。獨創的組合式支架比傳統的一體式陣列架具有更高的便攜性和更好的適應性。傳感器支架結構示意如圖2所示，傳感器陣列結構示意如圖3所示。

圖2 傳感器支架結構示意

圖3 傳感器陣列結構示意

聲音傳感器是檢測系統的關鍵部件，其響應多敏感于表面振動的垂直位移，包括位移、位移速度和位移加速度，這主要取決于聲音傳感器的頻率響應和靈敏度特性[5]。選型時陣列中傳感器必須參數一致，特別要對傳感器進行相位校準工作[6]，確保原始相位相同。為了減小定位誤差，傳感器的體積要盡量小。系統選擇了MPA416型傳感器，其頻率響應范圍為20 Hz～20 kHz，靈敏度為50 mV·Pa-1，動態范圍為29～127 dB。

2.2 數據采集器的選擇

系統中數據采集卡為PMD-1608FS型，12通道獨立同步采樣，采樣率可達250 kHz，采樣深度為16 bit。數據采集卡采用單芯片技術,集成度高,穩定性提高了5倍。數據采集器外型小巧,所有信號的輸入輸出均通過帶螺絲的接線端子連接，價格是傳統采集卡的一半, 性價比高。

3 軟件設計

研制了 “便攜式聲源定位監測軟件”，實現了范圍內聲源的特征分析與位置估計。軟件開發環境采用Microsoft.Net完成，即Microsoft 的 XML Web 服務平臺,不論操作系統或編程語言有何差別，XML Web服務能使應用程序在Internet上傳輸和共享數據。開發平臺為Windows 7，軟件設計采用了新輔助線程、界面包、Net Framework 4.0等技術。

3.1 操作界面設計

操作界面顯示數據并對硬件執行控制命令，主界面中包含5個子界面(見圖4～8)。數據采集主界面開辟了新的輔助線程，成功初始化數據采集卡后即可采集數據。數據采集設置界面包括通道選擇、采樣率設定、圖形顯示等功能。頻譜分析設置界面包括信號提取長度選擇、數據導入導出、信號頻譜圖顯示等。濾波降噪設置界面包括濾波器參數的輸入和濾波后信號頻譜圖的顯示。互相關分析設置界面包括加權函數選擇和互相關圖像顯示。聲源位置顯示界面則包含聲源坐標輸出、位置圖示顯示、測試結果保存功能等。界面性能穩定，功能豐富。

圖4 數據采集子界面

圖5 頻譜分析子界面

圖6 濾波降噪子界面

圖7 互相關分析子界面

圖8 定位結果子界面

3.2 關鍵參數設置

實際工作中,選擇采樣頻率的依據是采樣定理,即對于一個頻限信號x(t),若其最高頻率分量為ωm,則保證信號復原時不失真的采樣頻率ωs應滿足ωs>2ωm。但采樣率設置太高將導致系統處理數據量冗雜，需要進行試驗研究以確定系統的最佳采樣率。試驗分別以10，50，100 kHz的采樣率進行數據采集，對照不同采樣率下的定位誤差。系統采樣率設置對定位誤差的影響如表1所示，表1中的數據表明，當系統采樣率提高時，時延估計值更接近理論值，定位結果也更接近真實值。當系統采樣率為100 kHz時，平均時延估計誤差降為2.13%，平均定位誤差為4.9%，兩者分別比采樣率為10 kHz時的5.19%和35.8%有了明顯降低。考慮系統誤差與數據處理的難度，確定系統采樣率設置為100 kHz是合適的。

利用信號進行離散傅里葉變換和信號處理時,因運算時間和儲存容量的限制,只能處理有限的樣本容量。分析信號頻譜時調用MATLAB軟件中的FFT(快速傅里葉變換)函數，其樣本通常是2的整數次冪，如2 048。因此，必須對時間無限的數字序列進行截斷處理。泄漏聲信號是連續的隨機信號,包含多個頻率分量,截斷后存在能量頻譜泄漏,需要加窗函數來滿足傅里葉變換周期性的要求。綜合考慮檢測信號的特性與測試的重點(關注頻率點而非能量大小)，選擇periodic類型的Hanning窗函數，窗長度為400，幀移為100。

4 檢測實例

為了驗證系統的功能, 在室外空曠環境對系統性能進行測試。聲源為模擬噪聲，主頻在2 kHz～3 kHz之間，由藍牙音箱播放。

表1 系統采樣率設置對定位誤差的影響

系統采樣率設為100 kHz，采樣時長為3 s，分析點數為2 048。4個傳感器坐標分別為M0(0,0,0),M1(0，0.5，0),M2(0.5,0,0),M3(0，0，0.5)，其中M0設為參考傳感器。試驗開始前，先測量當地聲速。在(2,0,0)處發聲信號6次，測得相距0.5 m的1，2號傳感器的平均時差為0.001 44 s，故實驗室環境下的聲速為347.22 m·s-1。

為了驗證系統在任意方位的定位效果(見圖9)，用MATLAB中的round函數在空間中隨機生成10個隨機測試點，測試點坐標與定位坐標均列于表2中。

表2 定位試驗結果

圖9 定位結果三維圖示

定位試驗結果表明，系統可以識別各個位置的發聲射源并進行定位，無定位盲區。系統在(2，0，0)，(2，1.5，2.5)這兩個位置的定位絕對誤差在30～50 cm，有所偏離。但在其他測點，定位絕對誤差在10 cm左右。定位平均相對誤差為11.75%，能滿足工業測試要求。

5 結語

研制的便攜式聲源定位系統是一種集機械設計技術、數字信號處理技術、陣列信號處理技術為一體的被動式聲源檢測與定位裝置。該設備采用了有別于其他裝置的硬件設計與信號處理手段。系統可識別聲頻率范圍為20 Hz～20 kHz，總重量為14.5 kg,能耗為500 W，平均定位誤差為11.75%。經過實踐證明，該系統具有便攜性好、成本較低、運行可靠、功能完善的特點。該系統適用于壓力管道的泄漏點檢測、火炮落點位置識別及建筑的聲環境測試。所述系統軟件的設計方案簡潔、層次清晰，基于實踐經驗提出的關鍵參數設置具有較高的參考價值。