閆榮鑫 孫偉 李唯丹（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

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便攜式艙內(nèi)超聲檢漏儀的研制

閆榮鑫 孫偉 李唯丹
（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

針對載人航天器在軌聲學(xué)檢漏的物理過程，以氣動(dòng)聲學(xué)噴流噪聲理論為基礎(chǔ)，對氣體流過漏孔的聲音在艙內(nèi)傳播及信號(hào)檢測的機(jī)理進(jìn)行了研究，建立了氣體泄漏產(chǎn)生的聲功率和漏孔的幾何尺寸及艙內(nèi)氣壓的關(guān)系式，發(fā)現(xiàn)在毫米級(jí)直徑的漏孔產(chǎn)生的聲信號(hào)的中心頻率大于20kHz；研究了漏孔產(chǎn)生的聲音信號(hào)傳播的聲壓同接收方向和距離的關(guān)系式，模擬航天器艙內(nèi)氣體向太空泄漏時(shí)在艙內(nèi)檢漏的實(shí)際工況，進(jìn)行了不同尺寸漏孔探測距離、探測方位的試驗(yàn)，初步驗(yàn)證了傳感器接收到的漏孔聲壓和傳感器法線與漏孔和傳感器中心連線角的余弦成正比。完成了在軌檢漏儀原理樣機(jī)的研制，最小可檢漏率達(dá)到10－1Pa·m3／s量級(jí)；定位范圍優(yōu)于20mm，質(zhì)量小于1.2kg，功耗小于2.2W。

氣體泄漏；超聲波；聲傳播；檢漏儀；載人航天器

1 引言

長期運(yùn)行的載人航天器遭到空間碎片、微流星的撞擊后，密封艙體可能出現(xiàn)穿孔而引起泄漏事故。因此需研究在軌漏點(diǎn)檢測和定位技術(shù)，快捷地檢測到泄漏的位置，以便采取相應(yīng)的維護(hù)措施。研制一種航天員在密封艙內(nèi)就能進(jìn)行適當(dāng)范圍漏率的漏孔定位檢漏儀，進(jìn)行在軌維修，十分必要。

目前國內(nèi)外相關(guān)的研究有艙外真空方向規(guī)高靈敏檢測技術(shù)［1－2］、傳感器陣列結(jié)構(gòu)泄漏在線監(jiān)測技術(shù)［3－8］、便攜式快速艙內(nèi)泄漏檢測技術(shù)。艙外真空方向規(guī)可以檢測出較小的漏孔，具有很高的靈敏度，但需要在艙外進(jìn)行，要求有復(fù)雜的機(jī)構(gòu)支持或者需要航天員出艙。傳感器陣列結(jié)構(gòu)泄漏在線監(jiān)測則要求在航天器結(jié)構(gòu)上布置多個(gè)傳感器陣列，目前僅進(jìn)行到地面研究階段。我們開展了基于超聲信號(hào)的便攜式航天員艙內(nèi)檢漏技術(shù)及儀器的研究工作［9－11］，發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行各種試驗(yàn)及設(shè)計(jì)時(shí)，需要對漏孔產(chǎn)生的聲音信號(hào)、聲信號(hào)的傳播和有效檢測等物理機(jī)理進(jìn)行研究。為此，本文建立了數(shù)學(xué)表達(dá)式，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并對檢漏儀進(jìn)行了研制。

2 原理分析

2.1 泄漏產(chǎn)生聲信號(hào)

航天器密封艙體內(nèi)出現(xiàn)泄漏時(shí)，氣體在壓力差的作用下從密封結(jié)構(gòu)中沿泄漏通道向艙外真空環(huán)境泄漏，氣體介質(zhì)穿過微小孔徑時(shí)，其流速較高，處于湍流狀態(tài)，包含大量的湍流漩渦，氣體湍流漩渦間相互作用的內(nèi)應(yīng)力使得它們各自體積元上受到了大小相等、方向相反的起伏力的作用，從而導(dǎo)致氣體產(chǎn)生四極子性質(zhì)的噴流聲源。對于直徑為d，長度為l的漏孔，其噴流的聲功率PT為［12］8

式中 ρ0為艙內(nèi)大氣密度；u為噴口處的氣體噴射速度；c0為聲波在艙內(nèi)大氣下的傳播速度；ρs為標(biāo)準(zhǔn)大氣密度。

對于密閉的載人航天艙體，艙體內(nèi)部的壓力會(huì)因出現(xiàn)泄漏而發(fā)生變化，其艙體壓力pt為

式中 C為漏孔的流導(dǎo)；V為艙體體積；p0為艙內(nèi)初始?jí)毫?；pout為艙外真空狀態(tài)壓力；t為時(shí)間。

一般載人密封艙體體積V在10～100m3范圍，艙體可能出現(xiàn)的漏孔直徑在0.1～2mm，流導(dǎo)較小。因此，由式（2）可得出：對于0.1mm的漏孔，10m3的艙體，要使艙內(nèi)氣體壓力下降1kPa，需要10.5h時(shí)間。因此，當(dāng)檢漏時(shí)間為數(shù)分鐘時(shí)，其艙壓pt變化很小，出口壓力處于真空狀態(tài)，很小，其流速u［13］為

式中 u為氣體分子通過漏孔處的流速；γ＝cp／cV，cp為艙體氣體的定壓比熱；cV為艙體氣體的定容比熱。把式（3）帶入式（1）得

2.2 漏孔聲信號(hào)的傳播

漏孔處所產(chǎn)生的聲信號(hào)，需要傳播至聲換能器的接收傳感器并被有效地檢測到才可進(jìn)行檢漏。假定漏孔處產(chǎn)生的噴流聲功率PT為點(diǎn)源，如圖1所示，它的聲波波動(dòng)方程為

圖1 點(diǎn)源聲場傳播Fig.1 Dot source transmitting in sound field

式中 r為接收點(diǎn)的位置；p為接收點(diǎn)處的聲壓。其聲場解為

如果接收端換能器傳感器法線與漏孔和探頭中心連線的角度為α，則超聲換能器接收到的聲壓為

式（8）表明：如果載人艙體出現(xiàn)直徑為d、長度為l的漏孔時(shí)，在特定的測定距離r和測定方向夾角α下，通過聲壓的測量，就可確定發(fā)生泄漏的漏孔大小。

圖2 泄漏產(chǎn)生的聲信號(hào)歸一化功率譜Fig.2 Power spectrum of the acoustics signal caused by leak

2.3 漏孔聲信號(hào)的中心頻率

氣體泄漏產(chǎn)生聲波頻譜是復(fù)雜的，換能傳感器測量過程也不能覆蓋泄漏產(chǎn)生的全部聲波頻帶，為了能夠有效檢測泄漏產(chǎn)生的聲波，應(yīng)避免其他聲信號(hào)的干擾，盡可能尋求泄漏噴流所產(chǎn)生信號(hào)的最大頻率。根據(jù)目前國內(nèi)外的研究情況，泄漏的聲功率譜是斯特勞哈爾數(shù)fd／u的函數(shù)，其中f是超聲頻率。大量的試驗(yàn)研究表明，如果采用歸一化辦法，以修正后的斯特勞哈爾數(shù)為橫坐標(biāo)，功率譜級(jí)為縱坐標(biāo)，其經(jīng)驗(yàn)曲線［14］如圖2所示。

圖2中的曲線可以逼近于曲線方程：

為了提高檢測的靈敏度，在中心頻率處的功率譜級(jí)密度峰值靈敏度最大，對式（9）求一階導(dǎo)數(shù)且數(shù)值為0，可得

表1 不同直徑漏孔泄漏產(chǎn)生的聲信號(hào)的中心頻率Tab.1 Center frequency of different diameter of leak signal

從表1中可以看出：由漏孔噴射流產(chǎn)生的最大聲功率對應(yīng)的頻率都大于20kHz，即全部處于超聲信號(hào)狀態(tài)，艙體內(nèi)部設(shè)備運(yùn)行的可聽信號(hào)可以通過檢測器的頻帶帶寬限制，僅檢測超聲信號(hào)就可確定漏孔產(chǎn)生的聲泄漏信號(hào)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

設(shè)計(jì)如圖3所示的超聲泄漏檢測系統(tǒng)，驗(yàn)證噴射聲源漏孔和換能器檢測儀的距離關(guān)系。利用已有的環(huán)境模擬系統(tǒng)，將漏孔作為點(diǎn)聲源，以聲源為原點(diǎn)建立超聲波聲場分布檢測示意如圖3所示，將超聲換能接收器及放大電路作為接收端放置在可三維移動(dòng)的裝置上。圖4是超聲泄漏檢測距離試驗(yàn)裝置示意。

試驗(yàn)時(shí)，打開真空泵，將真空容器抽至真空狀態(tài)，在確認(rèn)閉合插板閥的狀態(tài)下，更換合適的漏孔，再打開插板閥，模擬氣體從艙內(nèi)向空間泄漏產(chǎn)生超聲信號(hào)在艙內(nèi)檢測的狀態(tài)。將換能器超聲檢測系統(tǒng)放置在三維支架上，調(diào)節(jié)至合適坐標(biāo)后，采集超聲信號(hào)并由上位機(jī)軟件記錄頻譜，每個(gè)位置采集30個(gè)數(shù)據(jù)，求其平均值，即得到所需試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖3 聲場分布試驗(yàn)示意系統(tǒng)Fig.3 Sound field distributing test system

圖4 超聲泄漏檢測距離試驗(yàn)裝置Fig.4 Distance test system for ultrasonic leak detection

3.1 距離試驗(yàn)及結(jié)果分析

由式（8）看出，由漏孔處氣體泄漏產(chǎn)生的聲信號(hào)傳播時(shí)，如不考慮空氣的吸收和散射因素，那么接收器接收到的聲壓和接收距離成反比。

試驗(yàn)時(shí)，將檢測端接收器放置在x軸上，隨著距離的移動(dòng)記錄頻譜波形。通過移動(dòng)聲傳感器，控制傳感器與漏孔之間的距離，從20mm逐漸增加到500mm，測量漏孔直徑為0.8mm，1.5mm 和2.0mm，得到如表2所示的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2 隨距離變化的聲壓試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experiment results of sound pressure changing with distance

圖5 漏孔的聲壓隨距離變化曲線Fig.5 Curve of sound pressure changing with the distance

將表2中所獲得的數(shù)據(jù)繪制于二維圖中，對所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得到3個(gè)漏孔分別對應(yīng)的曲線如圖5所示。

從表2和圖5可以看出，換能接收器接收到的聲壓信號(hào)隨著探測距離的增加會(huì)急劇下降，但并非式（8）所分析的完全呈反比例關(guān)系，這是由于忽略了空氣對超聲信號(hào)的吸收和散射作用而造成聲波傳播偏離點(diǎn)源球面波模型所引起的。

圖6 漏孔的聲信號(hào)和檢測方向角的試驗(yàn)示意Fig.6 Leak sound signal and testing angle

3.2 接收角度試驗(yàn)及結(jié)果分析

由式（8）看出，如果漏孔處氣體源和接收器接收面之間存在夾角，則接收器測到的聲壓就應(yīng)該存在余弦結(jié)果。

圖6是建立的載有超聲信號(hào)接收傳感器的云臺(tái)試驗(yàn)裝置，R為云臺(tái)半徑，c為云臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度，l為檢測儀中心軸距漏孔中心距離，l1為探頭平面與漏孔平面距離，S為探頭接收平面面積，Sc為有效接收面積。推導(dǎo)可得：

測試了不同云臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度下超聲傳感器所對應(yīng)的聲壓，結(jié)果見表3。

表3 接收傳感器隨角度變化的聲壓試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experiment results of sound pressure signal with different testing angle

圖7 接收傳感器隨云臺(tái)轉(zhuǎn)角變化的聲壓試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Test result of the sound pressure for the receiving sensor on the platform

根據(jù)表6中數(shù)據(jù)，繪制曲線如圖7所示。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，云臺(tái)轉(zhuǎn)角在30°后接收信號(hào)明顯增強(qiáng)，60°左右時(shí)達(dá)到最大，而60°后信號(hào)強(qiáng)度下降很快。

從式（11）可得：0°、30°、60°、90°四個(gè)云臺(tái)轉(zhuǎn)角c所對應(yīng)的α角度分別為89°、50°、4°、47°，而其有效檢測面積和cosα相關(guān)，cosα值分別為0.024、0.643、0.99、0.681；其試驗(yàn)檢測的信號(hào)最大強(qiáng)度為試驗(yàn)云臺(tái)轉(zhuǎn)角度為60°，與理論分析的結(jié)果相一致，即聲壓和檢測器的接收方向和漏孔連線的余弦成正比。

4 超聲檢漏儀的設(shè)計(jì)

以上機(jī)理研究表明：超聲換能器檢測到漏孔產(chǎn)生的氣流聲壓信號(hào)值包含了漏孔的幾何尺寸和檢測方位角的信息，這正是檢漏的基本任務(wù)。為此，我們設(shè)計(jì)了便攜式超聲在軌檢漏儀，設(shè)計(jì)的主要功能如下：

1）具有艙體泄漏及艙內(nèi)管路泄漏的檢測和漏點(diǎn)定位功能，具有漏孔范圍評(píng)估功能；

2）具有良好的人機(jī)界面，實(shí)時(shí)顯示并報(bào)警，可由航天員單手把持進(jìn)行操作；

3）可利用船載電源充電，其充電接口滿足建造規(guī)范要求；

4）具有在軌可維修或更換的能力。

其中最主要的是密封艙體的泄漏和艙內(nèi)管路泄漏的檢測及漏點(diǎn)定位功能，且艙體向艙外真空環(huán)境中泄漏時(shí)，可從復(fù)雜的艙內(nèi)環(huán)境中準(zhǔn)確提取到微弱的泄漏超聲信號(hào)，快速地確定漏孔位置，實(shí)現(xiàn)在艙內(nèi)檢測，不需要航天員出艙活動(dòng)，降低了風(fēng)險(xiǎn)性，提高了可靠性；而對于艙內(nèi)管路的泄漏檢測，便攜式超聲則可以遠(yuǎn)距離、大范圍地探測到泄漏的發(fā)生，確定漏點(diǎn)的位置，而且由于管路向艙內(nèi)泄漏屬于噴注情況，其產(chǎn)生的泄漏超聲強(qiáng)度要高，檢測靈敏度要大。

該檢漏儀主要由探頭、主機(jī)結(jié)構(gòu)、前置放大電路、DSP核心處理電路、顯示按鍵電路、電源控制電路和電池組構(gòu)成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 便攜式超聲檢漏儀系統(tǒng)示意Fig.8 Diagram of the portable ultrasonic leak detector

便攜式超聲在軌檢漏儀的超聲探頭采用非接觸式壓電超聲傳感器，測距功能則采用激光器和紅光敏感器組成的探頭，具備測距和指點(diǎn)功能；以DSP為核心處理器，通過設(shè)計(jì)四級(jí)高放大倍數(shù)的前置放大器將微弱泄漏超聲信號(hào)有效地從環(huán)境背景噪音中提取出來，將模擬信號(hào)送入每秒3×106次采樣率的16bit高精度AD的DSP嵌入式測控電路，進(jìn)行FFT變化、特征頻帶累積、特征信號(hào)值的比對，以及判漏算法處理和定漏算法處理，將結(jié)果顯示在LCD屏幕上，并通過所測試的泄漏特征信號(hào)的聲壓值與激光測距信號(hào)的距離值相結(jié)合，進(jìn)行泄漏判斷與漏孔大小評(píng)估。其儀器屬于微小型嵌入式系統(tǒng)，程序部分主要利用C語言進(jìn)行程序開發(fā)，由CCS5進(jìn)行編譯燒寫至硬件系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)顯示、按鍵、信號(hào)采集、存儲(chǔ)和處理等功能。

便攜式超聲在軌檢漏儀的整體結(jié)構(gòu)采用手槍式結(jié)構(gòu)形式，采用黑色的ABS工程塑料，具有良好的加工性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。手柄處為充電2.2A·h的鋰電電池組、整機(jī)開關(guān)及J599的充電接口；而機(jī)身部分為長方形盒體結(jié)構(gòu)，其前部為探頭、中部為電路、后部為人機(jī)交互界面。

便攜式超聲檢漏儀通過性能測試試驗(yàn)，可以在大氣端檢出由大氣向真空環(huán)境Φ0.3mm的漏孔，漏率等效為0.8Pa·m3／s泄漏，感知范圍100mm×100mm內(nèi)存在0.3mm的漏孔，且定位精度優(yōu)于20mm，實(shí)測質(zhì)量1.0kg，工作功耗：2.2W。

5 結(jié)束語

本文對載人航天器在軌泄漏超聲信號(hào)的產(chǎn)生、傳播、檢測的機(jī)理進(jìn)行了初步探討，得到了聲功率和漏孔大小、聲強(qiáng)度和探測距離、漏孔和接收器的檢測方向的表達(dá)式，通過驗(yàn)證試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

1）大艙體結(jié)構(gòu)泄漏產(chǎn)生的聲功率與漏孔的幾何尺寸相關(guān)，在毫米級(jí)漏孔直徑時(shí)產(chǎn)生的聲信號(hào)的中心頻率大于20kHz；

2）漏孔泄漏聲波在艙內(nèi)空氣中傳播，其強(qiáng)度隨傳播的距離增大而急劇下降；

3）接收傳感器接收到的漏孔聲壓和傳感器法線與漏孔和傳感器中心連線的角余弦成正比；

4）在軌檢漏儀原理樣機(jī)的研制，最小可檢漏率達(dá)到10－1Pa·m3／s的量級(jí)；定位精度優(yōu)于20mm，質(zhì)量小于1.2kg，功耗小于2.2W。

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Research and Design on a Portable Intravehicular Ultrasonic Leak Detector for Manned Spacecraft

YAN Rongxin SUN Wei LI Weidan （Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering，Beijing 100094）

Based on the acoustics cascade noise theory，the mechanism of air leaking noise transmitting and signal detecting was analyzed.A formula of the sound power，the leak size and the air pressure in the spacecraft was built，and the relationship between leak sound pressure and receiving direction and distance was studied.The center frequency in millimeter diameter leak is more than 20kHz.The situation of air leaking from spacecraft to space was simulated and an experiment of different leak sizes and testing distances and directions was carried out.The results show that the sound pressure is in direct proportion to the cosine of the angle of leak to the sensor.The portable ultrasonic leak detector was developed，with which the minimal leak rate is 10－1Pa·m3／s，the testing radius is longer than 20mm，the mass is less than 1.2kg，and the electric power is less than 2.2W.

Air leak；Ultrasonic；Sound transmitting；Leak detector；Manned spacecraft

10.3780／j.issn.1000－758X.2015.03.008

（編輯：車曉玲）

閆榮鑫 1964年生，1988年獲中國空間技術(shù)研究院真空物理專業(yè)碩士學(xué)位，研究員。研究方向?yàn)楹教炱骺傮w裝配測試。

2014－10－24。收修改稿日期：2015－03－12