声发射信号在输气管道中的传播特性研究

吴畏　张国庆　衣粟　孙洪彬　王培东 张英杰

摘 要：通过介绍次声波在管道中传播的特点、压电原理、小波包降噪法来分析声发射采集管道泄漏信号的原理，并进行了断铅实验，传感器采集了5个位置的声发射信号，通过分析这些次声波信号验证次声波在管道中具有的受环境影响小、信号损耗低、信号误报率低等良好的传播特性。

关键词：管道运输;声发射;次声波信号

中图分类号：TE973

管道运输已经成为我国运输液体或气体物资的一种主要方式，然而管道运输过程中受到管道占压、腐蚀、老化原因的影响，由于管道内外介质的化学、电化学作用或由微生物的代谢活动，管道逐渐被侵蚀和变质，使得管道被腐蚀老化，出现管道泄漏现象[1]。管道泄漏对我国国民生产生活造成极大的损失，及时检测到管道泄漏能够最小化地减少损失，因此管道泄漏检测具有重要意义。管道泄漏检测方法有光纤检测法、负压波法、漏磁检测法、次声波法（声发射检测技术）等，其中次声波检测是管道泄漏检测应用最广泛的一种方法。声发射检测技术具有以下几点优势：精度高，仅探测在外加应力结构的下缺陷的活动情况，误报的概率低[2]。施工便利，次声波传感器与外管壁接触，方便传感器安装的施工与维护。管道的几何形状要求不高，对于任意尺寸的管径、管壁都适用[3]。

一、声发射检测技术原理

当管道出现裂纹时，管道材料中由局部应力集中源的能量迅速释放而产生的瞬时弹性波，这些弹性波包括超声信号波、可听信号波以及次声信号波。声波信号在管道中的传播的声强衰减遵循公式：

上式中I0表示入射初始声强，Id为深入媒质d距离处的声强，α为衰减系数，其中声波波长越长衰减系数α越小，声强损耗越小。在实际的管道泄漏检测的过程中，由于超声波与可听波的波长较短，在长距离运输过程中波长损耗严重，所以适合远距离检测管道泄漏的信号为次声波信号[4]。

声发射传感器的工作原理为：传感器采集到的弹性波挤压传感器中的压电陶瓷材料使其变形，压电陶瓷材料内部电荷会产生极化，正负电荷相反的方向移动，在压电材料内产生电势差，如图1所示，从而将运动信号转换为电压信号，传入信号处理系统[5]。

实际的管道现场存在着诸多声波信号，造成干扰的信号存在造成误判、漏判，所以，降噪工作是必不可少的。将信号进行离散化处理，选择合适的基函数，将信号分解，信号频率可以通过二分法分解为多个频段，在每个频段内对比真实信号与干扰信号的系数，干扰信号的系数小于真实信号系数，设置阈值，小于阈值的值去除，大于阈值的值进行保留或收缩处理。

二、声发射在管道中的传播特性试验

在管道上利用铅笔断裂时产生的声波信号来模拟管道断裂时产生的次声波信号，在距离声发射传感器每隔10厘米的位置，自动铅笔0.5毫米的铅芯伸长2.5毫米与管道成30°夹角，用力折断铅芯，每个位置重复10次。断铅实验模拟声发射信号具有方便、快捷、有效等优点[6][7]。

实验所采用到的实验仪器有声发射传感器（与管道外壁利用声发射耦合剂耦合）、信号放大器、信号采集器、计算机（软件处理）。具体的连接顺序图2所示：

实验共取点50次，排除3次实验数据出现偏差（已将数据排除），其余数据均表现出了声波良好的传播特性。选取10cm与50cm两个点出的两幅声波信号图：

如图3以及图4所示，断铅产生的次声波在管道中具有良好的传播特性。

三、结论

论述了声发射检测管道泄漏的原理，实验中断铅在管道附近产生的声波信号频率主要集中在100K左右，與声发射信号频率类似，从而验证声发射信号在管道中具有受环境影响小、信号损耗低、信号误报率低等良好的传播特性，可以用作管道泄漏检测工作。

参考文献：

[1]胡杨曼曼，鲍郃，王佳伟.管道泄漏检测系统中次声波信号传播规律研究[J].辽宁化工，2014，43（4）：452-454.

[2]张武，韩毅，廖子先.压力管道裂纹泄漏定量技术分析[J].河南科技，2013，（23）：67.

[3]刘涛，王宝光，高华，等.基于声发射技术的管路泄露检测系统研究[J].新技术新工艺，2007，（8）：34-36.

[4]温建平，卜寿亮，张灵辉，等.基于泄漏声波的衰减特性对金属水管漏点定位研究[J].大学物理，2013，32（7）：29-32.

[5]LIAO T W，TING C F，QU J，et al.A wavelet-based methodology for grinding wheel condition monitoring[J].International Journal of Machine Tools & Manufacture，2007，47（3-4）：580-592.

[6]张志强，张国胜，刘艳芳，等.断铅试验声发射信号处理与损伤源定位研究[J].中国测试，2015，41（8）：17-21.

[7]郭力，霍可可.断铅笔芯声发射实验信号研究[J].机电工程，2018，35（7）：663-667+684.

作者简介：吴畏（1983— ），男，汉族，安徽寿县人，本科，工程师，研究方向：压力容器压力管道检验研究。