圓柱形儲液罐聲發(fā)射檢測的液體聲速現(xiàn)場測量

方衛(wèi)紅

(后勤工程學(xué)院 后勤信息與軍事物流工程系, 重慶 401311)

圓柱形儲液罐聲發(fā)射檢測的液體聲速現(xiàn)場測量

方衛(wèi)紅

(后勤工程學(xué)院 后勤信息與軍事物流工程系, 重慶 401311)

提出了一種現(xiàn)場測量圓柱形儲液罐液體聲速的方法，并通過試驗(yàn)分析了影響測量精度的有關(guān)因素。液體聲速測量采用常規(guī)的聲發(fā)射檢測布置方案，激發(fā)模擬聲源產(chǎn)生振動(dòng)，然后獲取液體直達(dá)波的傳播時(shí)間從而計(jì)算出聲速。對比了斷鉛、30 kHz和60 kHz的三種模擬信號，結(jié)果表明高頻成分為主的聲源更有利于定位液體直達(dá)波。對閾值法、相關(guān)法和包絡(luò)切線法三種波達(dá)時(shí)差計(jì)算方法進(jìn)行了比較，結(jié)果表明包絡(luò)切線法更有效。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，提出的現(xiàn)場測速方法具有較高的精度。

液體聲速;現(xiàn)場測量;聲發(fā)射;脈沖;波達(dá)時(shí)差

在對儲液罐底板進(jìn)行聲發(fā)射檢測時(shí)，底板聲源和罐壁傳感器之間聲波傳播的介質(zhì)主要是罐內(nèi)液體，聲發(fā)射評估系統(tǒng)需要利用液體聲速來確定聲源位置，故液體聲速是否準(zhǔn)確將影響到評價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。常溫常壓條件下的聲發(fā)射檢測工程實(shí)踐中，大多使用固定的或者通過經(jīng)驗(yàn)獲得的聲速值[1]，某些締合液體如水，還可以計(jì)算不同壓力、溫度下的聲速，從而獲得更為精確的聲速值[2]。對于特殊環(huán)境條件或者Kneser混合液體，如石化產(chǎn)品而言，則需要通過試驗(yàn)方法才能獲得符合要求的聲速。液體聲速用變形模量和介質(zhì)密度表示[3]，但是變形模量難以獲得，測量液體聲速通常采用其他方法，如駐波法[4-5]、光柵法[6]、蘭姆波法[7]和脈沖時(shí)差法[8-12]等。試驗(yàn)方法精確可控，通過批量試驗(yàn)可以獲得不同環(huán)境條件下的聲速，是聲速測定標(biāo)準(zhǔn)的推薦方法，在科學(xué)研究中應(yīng)用較多。但是試驗(yàn)方法需要特殊的測量裝置，對被測液體采樣，并模擬與儲罐一致的儲存條件，這些增加了聲發(fā)射檢測工程的工作量，在進(jìn)行批量儲罐聲發(fā)射檢測時(shí)比較費(fèi)事。在被檢儲罐上直接測量液體聲速可以避免這一問題，但是由于聲波信號在儲罐內(nèi)的傳播模式比較復(fù)雜，目前鮮有這種方法的應(yīng)用探討。為此，筆者采用聲發(fā)射檢測工程的常用配置，提出了一種基于脈沖時(shí)差法的現(xiàn)場測速方法，這種方法的測量精度與模擬聲源、波達(dá)時(shí)間計(jì)算方法有關(guān)，并通過試驗(yàn)對此進(jìn)行了研究。

1 測量原理

聲發(fā)射檢測系統(tǒng)按儲液罐底板聲發(fā)射檢測工程的要求進(jìn)行布置，如圖1所示，多個(gè)聲發(fā)射傳感器均勻安裝在離罐底一定高度h的罐壁圓周上，罐內(nèi)液位H遠(yuǎn)高于傳感器安裝高度。測速所需的聲波在罐壁傳感器附近位置激發(fā)，模擬聲源為短時(shí)脈沖信號。

圖1 聲發(fā)射檢測系統(tǒng)布置示意

脈沖時(shí)差法利用脈沖聲波在液體中的傳播距離和時(shí)間來計(jì)算液體聲速。用二維極坐標(biāo)來標(biāo)識模擬聲源和傳感器所在平面，儲罐半徑為R，位于(R,0)極坐標(biāo)位置的模擬聲源在罐壁上激發(fā)出振動(dòng)后，聲波通過儲罐壁板和液體等介質(zhì)的不同傳播路徑到達(dá)位于(R,θ)極坐標(biāo)位置的傳感器。一般情況下，縱波、彎曲波和液體直達(dá)波是傳感器最早接收到的三個(gè)信號，其他反射聲波隨后到達(dá)。以t1表示縱波沿罐壁傳播到達(dá)傳感器的時(shí)間，t2表示彎曲波沿罐壁傳播到達(dá)傳感器的時(shí)間，t3表示通過液體介質(zhì)直線傳播到達(dá)傳感器的時(shí)間，則液體聲速CL可表示為：

式中的R,θ都是測速前可確定的，只要計(jì)算出t3，便可以獲得液體聲速。

計(jì)算t3之前，先要從傳感器信號中分離出液體直達(dá)波成分。對于金屬材料儲罐而言，通過壁板傳播的縱波波速遠(yuǎn)高于彎曲波及液體直達(dá)波波速，比較容易排除。而沿壁板傳播的彎曲波是頻散的，傳播速度和頻率有關(guān)。如果彎曲波的頻率成分比較復(fù)雜，那么其有可能和液體直達(dá)波混合在一起到達(dá)傳感器，對測速會造成較大影響。因此，這種現(xiàn)場測速方法需要控制模擬聲源的頻率成分，筆者通過對三種不同頻率成分脈沖聲源的試驗(yàn)，探討了模擬聲源的選擇依據(jù)。

t3可用兩個(gè)傳感器信號的波達(dá)時(shí)差來表示，即靠近聲源的傳感器采集信號x0和遠(yuǎn)端傳感器檢測到的液體直達(dá)波信號x1之間的波達(dá)時(shí)差。x0和x1都是短脈沖信號，其波達(dá)時(shí)差計(jì)算方法較多，最常用的是閾值法和互相關(guān)法[13-15]。閾值法將信號幅值首次越過指定閾值的時(shí)間作為波達(dá)時(shí)間，傳播時(shí)間為x1和x0兩個(gè)信號波達(dá)時(shí)間的差值。閾值法抗噪性能差，對閾值敏感，相比之下高幅值脈沖x0波達(dá)時(shí)間的計(jì)算誤差較小，而緩升型信號x1則會出現(xiàn)較大計(jì)算誤差?；ハ嚓P(guān)法計(jì)算x1,x0的相關(guān)序列時(shí)，根據(jù)序列最大值位置確定時(shí)差?；ハ嚓P(guān)法抗噪性能更好，但是對信號之間的相關(guān)度有依賴性。聲源近端的x0信號主要由縱波和彎曲波混和而成，而遠(yuǎn)端的x1信號則是以液體直達(dá)波為主，它們之間的相關(guān)程度不高。此類信號，應(yīng)用更為復(fù)雜的時(shí)頻分析方法[16-17]也難有好效果。為此，筆者提出了一種包絡(luò)切線法來計(jì)算波達(dá)時(shí)間。如圖2所示，包絡(luò)切線法首先構(gòu)造信號的幅值包絡(luò)線，在包絡(luò)線越過閾值的起點(diǎn)位置以包絡(luò)線斜率構(gòu)造一直線(包絡(luò)切線)，該直線與信號均值水平線的相交位置被確定為波達(dá)位置。三種波達(dá)時(shí)差計(jì)算方法的優(yōu)劣通過后續(xù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可以得到。

圖2 包絡(luò)切線法和閾值法示意

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用碳鋼材料的儲罐直徑9 m，壁厚5 mm，所儲液體為水，液位3.15 m。聲發(fā)射檢測系統(tǒng)為VALLEN的ASYS-5型儀器，在離罐底高0.2 m的罐壁圓周上平均分布6個(gè)聲發(fā)射傳感器VS30用于檢測信號，其頻率范圍為25 kHz～80 kHz。

試驗(yàn)使用的模擬聲源有三種。一是斷鉛，另外兩種30 kHz和60 kHz的脈沖信號來自信號發(fā)生器PAC FieldCAL。信號發(fā)生器也連接一個(gè)VS30傳感器，該傳感器專用于激發(fā)振動(dòng)聲波，緊貼其他檢測傳感器安裝。

試驗(yàn)中采用全波形方式記錄信號，采樣頻率2 MHz。在每個(gè)檢測傳感器附近位置依次激發(fā)三種模擬聲波，每個(gè)位置每種模擬聲波各激發(fā)20次，兩次模擬聲波的間隔時(shí)間在2 s以上。

試驗(yàn)期間，天氣多云微風(fēng)，經(jīng)測量罐內(nèi)水溫為(16.8±0.2) ℃。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)中碳鋼板的物理參數(shù)為：密度ρ為7 800 kg·m-3，楊氏模量E為2×1011Pa，泊松比σ為0.28。常壓狀態(tài)下，16.8 ℃的水中聲速CL為1 472 m·s-1，其依據(jù)的聲速計(jì)算公式為(其中T為溫度，℃)[2]：

CL=1 402.336+5.033 58T-

由于傳感器均勻分布在圓周面上，故距離聲源相同距離的傳感器接收到的聲波信號是一致的，試驗(yàn)數(shù)據(jù)也證明了這一點(diǎn)。為了描述方便，后續(xù)試驗(yàn)分析的聲源位置都假設(shè)在S0附近。

圖3 三種聲源激發(fā)后四個(gè)不同位置傳感器接收到的信號

3.1 聲波傳播過程

在S0附近激發(fā)模擬聲波后，S0,S1,S2和S3四個(gè)傳感器接收到的聲波信號如圖3所示。為了提升信號的顯著程度，圖中波形幅值做過處理，同一傳感器的幅值縮放比例是一樣的，但不同傳感器的幅值縮放比例不一樣。觀察全波形信號， S1、S2和S3三個(gè)位置t1時(shí)間都未接收到顯著的縱波，表明三種模擬聲源都未能產(chǎn)生足夠強(qiáng)的縱波，因此縱波可以忽略不計(jì)。

t2時(shí)間(以傳感器高限頻率80kHz計(jì)算)之后到達(dá)的彎曲波是頻散的，其頻率越低的成分傳播越慢。傳感器接收到彎曲波的時(shí)間為：

式中：Cp為彎曲波傳播速度;d為碳鋼板厚度;f為信號頻率。

若液體直達(dá)波未能先于頻率最高的彎曲波成分到達(dá)傳感器，則彎曲波的低頻部分將和液體直達(dá)波產(chǎn)生混合。在彎曲波先到的S1和S2位置，檢測信號中可以明顯發(fā)現(xiàn)這種混合現(xiàn)象。

另一方面，由于罐內(nèi)液體的作用，沿罐壁傳播的彎曲波高頻部分信號更容易泄露進(jìn)入液體。根據(jù)SNELL折射定律，彎曲波沿罐壁傳輸相當(dāng)于以90°角入射壁液交界面，傳播速度高于液體聲速的彎曲波成分會折射進(jìn)入液體，而傳播速度低于液體聲速CL的彎曲波成分則不會進(jìn)入液體。臨界頻率fc為：

在文章的試驗(yàn)條件下，fc約為34kHz，高于34kHz的彎曲波信號難以在板中遠(yuǎn)距離傳輸。圖4(圖中各分圖縱坐標(biāo)以各信號的最高值為基準(zhǔn)進(jìn)行了歸一化處理)表明S0位置檢測的斷鉛和30kHz兩種模擬聲源的信號中都有低于fc的較強(qiáng)的彎曲波成分，所以這兩種信號傳播到S2位置時(shí)彎曲波依然顯著。而60kHz模擬聲源信號中主要頻率成分都高于這一臨界頻率，信號傳播到S2位置時(shí)彎曲波基本消失。S3位置首達(dá)波為液體直達(dá)波，直達(dá)波信號中高于臨界頻率的成分較多，而低于臨界頻率的成分較少。

圖4 三種聲源傳播到S0和S3位置的信號波形與頻譜特征

因此，如果模擬聲源激發(fā)出以高于臨界頻率成分為主的振動(dòng)信號，在距離聲源較遠(yuǎn)的位置檢測就可以消除彎曲波的影響。

3.2 聲速測量誤差

S3和S2位置傳感器檢測到的信號都可用來計(jì)算液體直達(dá)波傳播時(shí)間，從而測量出聲速。在S3和S2兩個(gè)位置,對三種模擬聲源采用三種不同波達(dá)時(shí)間計(jì)算方法測量的聲速誤差直方圖見圖5，6。

圖5 S3位置計(jì)算聲速的誤差直方圖

圖6 S2位置計(jì)算聲速的誤差直方圖

S3位置檢測到的首波為液體直達(dá)波。由于試驗(yàn)液體介質(zhì)為水，S3位置的彎曲波在液體直達(dá)波之后到達(dá)，沒有對液體直達(dá)波形成干擾，此時(shí)各類聲速測量方法的誤差都較小。石化產(chǎn)品的聲速低于水中聲速，大多數(shù)儲油罐不會出現(xiàn)彎曲波先于液體直達(dá)波到達(dá)的情況，因此S2位置的聲速計(jì)算更有意義。60 kHz模擬聲源信號傳播到S2位置時(shí)彎曲波成分基本消失，此時(shí)S2位置接收的首波信號是液體直達(dá)波，因此聲速測量誤差較小。斷鉛和30 kHz模擬聲源的低頻信號豐富，在S2處檢測到的首波信號還是彎曲波信號，以首波信號來推算聲速，可以發(fā)現(xiàn)測量值明顯高于理論值。

從模擬聲源類別來看，60 kHz模擬聲源的測量效果最佳，30 kHz模擬聲源所測聲速的方差最大，而斷鉛信號頻率成分豐富，效果居中。

從三種波達(dá)時(shí)差計(jì)算方法的效果來看，閾值法的測量誤差波動(dòng)也小，但是所測聲速偏低?？傮w來看包絡(luò)切線法最佳，測量均值更接近理論值，誤差波動(dòng)也更小。

采用60 kHz模擬聲源和包絡(luò)切線法時(shí)，在S2位置檢測信號測得的聲速為(1 471.1±2.9) m·s-1，在S3位置檢測信號測得的聲速為(1 470.5±2.0) m·s-1。

4 結(jié)論

(1) 提出的利用儲罐底板聲發(fā)射檢測常用的布置方式，在罐壁上激發(fā)聲源，檢測信號并測速的方法可以獲得誤差較小的液體聲速。

(2) 模擬脈沖信號的主要頻率成分應(yīng)高于臨界頻率。

(3) 選擇更遠(yuǎn)端的傳感器參與測速，這些傳感器位置檢測到的首信號是液體直達(dá)波。

(4) 提出的包絡(luò)切線法比閾值法、相關(guān)法計(jì)算的波達(dá)時(shí)差更準(zhǔn)確，更有利于獲得準(zhǔn)確的聲速。

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In Situ Measurement of Sound Speed in Liquid for Acoustic Emission Testing of Cylindrical Liquid Storage Tank

FANG Wei-hong

(Department of Logistical Information and Military Logistics, Logistic Engineering University, Chongqing 401311, China)

An in situ measurement method of sound speed in liquid for acoustic emission testing of cylindrical storage tank was proposed, and some factors influencing the precision were also analyzed by an experiment. The approach was based on the normal acoustic emission testing scheme, and a simulation source was used to stimulate vibrations which could be detected by some sensors, finally the sound speed was conducted by computing the transportation time of the first wave directly arriving at through liquid. In the following experiment, three simulation signals, namely break pencil, 30 kHz and 60 kHz,were compared to find that the pulse of high frequency is the best choice on locating the first wave directly arriving at through liquid.The experiment revealed that the envelop-tangent method was superior to the other two methods (the threshold method and the cross-correlation method) in computing the time difference of arrival waves. The study also showed that the accuracy of this in situ measurement method was very high.

Sound speed in liquid; In situ measurement; Acoustic emission; Pulse; TDOA

2016-05-22

方衛(wèi)紅(1972-)，男，碩士，副教授，主要從事檢測技術(shù)及自動(dòng)化裝置研究工作。

方衛(wèi)紅，E-mail: fweih@163.com。

10.11973/wsjc201702013

TG115.28;TH824

A

1000-6656(2017)02-0052-05