新型氣體泄漏超聲檢測系統(tǒng)的研究與設計 [日期：2005-7-20] 來源：電子技術應用 作者：龔其春 葉 騫 劉成良 王永紅 [字體：容器的孔隙泄漏所產生的微弱超聲信號進行精確檢測。該系統(tǒng)利用DSP技術對泄漏所產生的超聲波信號進行分析處理和聲壓級計算，從而實現(xiàn)對泄漏的檢測及泄漏量的估算。

關鍵詞：DSP 聲壓級 本底哭聲 泄漏超聲波

目前，工業(yè)上和生活中均大量用到用于存儲和輸送壓縮氣體的壓力容器，如氣缸、氣罐、煤氣管道等。由于各種原因，容量會產生漏孔從而發(fā)生氣體泄漏。據(jù)估計，工業(yè)上由于泄漏而損失掉的壓縮氣體平均占用40%左右。泄漏不但會造成能源的浪費，而且如果是有害氣體的話，還會對空氣造成污染。因此，準確地判斷和定位產生泄漏的位置，對于提高企業(yè)的生產效率和節(jié)約能源具有重大的意義。

傳統(tǒng)的泄漏檢測方法發(fā)絕對壓力法、壓差法、氣泡法等，操作復雜并且對技術人員要求較高，而且不具有實時性。目前，工業(yè)上廣泛利用泄漏產生超聲波的原理來進行泄漏檢測。利用超聲波檢測氣體泄漏位置，不僅方法簡單，而且準確可靠�；诖�，本文研究并設計了一種新型的超聲波氣體泄漏檢測系統(tǒng)。

1 檢測原理

1．1 氣體泄漏產生超聲波

如果一個容器內充滿氣體，當其內部壓強大小外部壓強時，由于內外壓差較大，一旦容器有漏孔，氣體就會從漏孔沖出。當漏孔尺寸較小且雷諾數(shù)較高時，沖出氣體就會形成湍流，湍流在漏孔附近會產生一定頻率的都聲波，如圖1所示。聲波振動的頻率與漏孔尺寸有關，漏孔較大時人耳可聽到漏氣聲，漏孔很小且聲波頻率大于20kHz時，人耳就聽不到了，但它們能在空氣中傳播，被稱作空載超聲波。超聲波是高頻短波信號，其強度隨著離開聲源（漏孔）距離的增加而迅速衰減。因此，超聲波被認為是一種方向性很強的信號，用此信號判斷泄漏位置相當簡單。

1．2 聲壓與泄漏量的關系

泄漏超聲本質上是湍流和沖擊噪聲。泄漏駐點壓力P與泄漏孔口直徑D決定了湍流聲的聲壓級L。著名學者馬大猷教授推出如下公式：

式中，L為垂直方向距離噴口1m處的聲壓級（單位：dB）；D為噴口直徑（單位：mm）；D0=1mm；P0為環(huán)境大氣絕對壓力；P為泄漏孔駐壓。

由此可知，在與泄漏孔的距離一定時，泄漏超聲的聲壓級是隨泄漏孔尺寸和系統(tǒng)壓力的變化而變化的。

泄漏產生的超聲波頻帶比較寬，一般在20kHz到100kHz之間。在不同的頻率點，超聲波的能量是不同的。實際上，它的頻譜峰值也是隨泄漏孔的尺寸和壓力的變化而變化的。比如：在一定的泄漏孔徑和壓力下，如果泄漏超聲波的頻譜峰值是在36kHz點，那么加大孔徑以后它的頻譜峰值可能出現(xiàn)在36kHz點；如果孔徑不變，加大系統(tǒng)內外壓差，頻譜峰值可能出現(xiàn)在43kHz點。但是在同一頻率點，對于形狀相同的泄漏孔，泄漏所產生的超聲波的聲強隨泄漏量的增大而增大。另外，如果泄漏量恒定，即泄漏面積一定，則泄漏孔的形狀越接近于圓形，聲壓越高。當泄漏孔的雷諾數(shù)用式（2）表示時，在40kHz點聲壓與雷諾數(shù)之間的關系如圖2所示。

Re=(ρVD)/μ （2）

式中，ρ為氣體密度；μ為粘度；V為流速；D為力學平均直徑。

由圖2可知，如果能檢測出泄漏孔附近在某一個頻率點的聲強，則可以推算出該泄漏孔的雷諾數(shù)。對于該泄漏孔，由于它的力學平均直徑是確定的，所以這時雷諾數(shù)與氣體泄漏量成正比關系。但是對于不同的泄漏孔，并不知道它的力學平均值徑，因此光知道雷諾數(shù)還不能求出泄漏量。在工業(yè)上，對于管道氣體，由于有源源不斷的氣體補給，管道里面的氣壓一般都是恒定值。而對于工業(yè)容器，由于小孔泄漏的泄漏量非常微弱，容器當中的壓力變化非常緩慢，所以可以認為在一段暑期內是恒定值。當系統(tǒng)內外壓力一定時，對不不同的泄漏孔，它的泄漏流速都是一定的，可以用公式（3）來表示：

新型氣體泄漏超聲檢測系統(tǒng)的研究與設計 [日期：2005-7-20] 來源：電子技術應用 作者：龔其春 葉 騫 劉成良 王永紅 [字體：容器的孔隙泄漏所產生的微弱超聲信號進行精確檢測。該系統(tǒng)利用DSP技術對泄漏所產生的超聲波信號進行分析處理和聲壓級計算，從而實現(xiàn)對泄漏的檢測及泄漏量的估算。

關鍵詞：DSP 聲壓級 本底哭聲 泄漏超聲波

目前，工業(yè)上和生活中均大量用到用于存儲和輸送壓縮氣體的壓力容器，如氣缸、氣罐、煤氣管道等。由于各種原因，容量會產生漏孔從而發(fā)生氣體泄漏。據(jù)估計，工業(yè)上由于泄漏而損失掉的壓縮氣體平均占用40%左右。泄漏不但會造成能源的浪費，而且如果是有害氣體的話，還會對空氣造成污染。因此，準確地判斷和定位產生泄漏的位置，對于提高企業(yè)的生產效率和節(jié)約能源具有重大的意義。

傳統(tǒng)的泄漏檢測方法發(fā)絕對壓力法、壓差法、氣泡法等，操作復雜并且對技術人員要求較高，而且不具有實時性。目前，工業(yè)上廣泛利用泄漏產生超聲波的原理來進行泄漏檢測。利用超聲波檢測氣體泄漏位置，不僅方法簡單，而且準確可靠。基于此，本文研究并設計了一種新型的超聲波氣體泄漏檢測系統(tǒng)。

1 檢測原理

1．1 氣體泄漏產生超聲波

如果一個容器內充滿氣體，當其內部壓強大小外部壓強時，由于內外壓差較大，一旦容器有漏孔，氣體就會從漏孔沖出。當漏孔尺寸較小且雷諾數(shù)較高時，沖出氣體就會形成湍流，湍流在漏孔附近會產生一定頻率的都聲波，如圖1所示。聲波振動的頻率與漏孔尺寸有關，漏孔較大時人耳可聽到漏氣聲，漏孔很小且聲波頻率大于20kHz時，人耳就聽不到了，但它們能在空氣中傳播，被稱作空載超聲波。超聲波是高頻短波信號，其強度隨著離開聲源（漏孔）距離的增加而迅速衰減。因此，超聲波被認為是一種方向性很強的信號，用此信號判斷泄漏位置相當簡單。

1．2 聲壓與泄漏量的關系

泄漏超聲本質上是湍流和沖擊噪聲。泄漏駐點壓力P與泄漏孔口直徑D決定了湍流聲的聲壓級L。著名學者馬大猷教授推出如下公式：

式中，L為垂直方向距離噴口1m處的聲壓級（單位：dB）；D為噴口直徑（單位：mm）；D0=1mm；P0為環(huán)境大氣絕對壓力；P為泄漏孔駐壓。

由此可知，在與泄漏孔的距離一定時，泄漏超聲的聲壓級是隨泄漏孔尺寸和系統(tǒng)壓力的變化而變化的。

泄漏產生的超聲波頻帶比較寬，一般在20kHz到100kHz之間。在不同的頻率點，超聲波的能量是不同的。實際上，它的頻譜峰值也是隨泄漏孔的尺寸和壓力的變化而變化的。比如：在一定的泄漏孔徑和壓力下，如果泄漏超聲波的頻譜峰值是在36kHz點，那么加大孔徑以后它的頻譜峰值可能出現(xiàn)在36kHz點；如果孔徑不變，加大系統(tǒng)內外壓差，頻譜峰值可能出現(xiàn)在43kHz點。但是在同一頻率點，對于形狀相同的泄漏孔，泄漏所產生的超聲波的聲強隨泄漏量的增大而增大。另外，如果泄漏量恒定，即泄漏面積一定，則泄漏孔的形狀越接近于圓形，聲壓越高。當泄漏孔的雷諾數(shù)用式（2）表示時，在40kHz點聲壓與雷諾數(shù)之間的關系如圖2所示。

Re=(ρVD)/μ （2）

式中，ρ為氣體密度；μ為粘度；V為流速；D為力學平均直徑。

由圖2可知，如果能檢測出泄漏孔附近在某一個頻率點的聲強，則可以推算出該泄漏孔的雷諾數(shù)。對于該泄漏孔，由于它的力學平均直徑是確定的，所以這時雷諾數(shù)與氣體泄漏量成正比關系。但是對于不同的泄漏孔，并不知道它的力學平均值徑，因此光知道雷諾數(shù)還不能求出泄漏量。在工業(yè)上，對于管道氣體，由于有源源不斷的氣體補給，管道里面的氣壓一般都是恒定值。而對于工業(yè)容器，由于小孔泄漏的泄漏量非常微弱，容器當中的壓力變化非常緩慢，所以可以認為在一段暑期內是恒定值。當系統(tǒng)內外壓力一定時，對不不同的泄漏孔，它的泄漏流速都是一定的，可以用公式（3）來表示：