[發明專利]基于板狀結構氣體泄漏聲發射特征的泄漏源定位方法及系統

在審

• 申請號: 202110667625.3
• 申請日: 2021-06-16
• 公開（公告）號: CN113405736A
• 公開（公告）日: 2021-09-17
• 發明（設計）人: 辛鋒先;魯德鎬
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01M3/24
• 分類號: G01M3/24;G06F17/16
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 高博

1.基于板狀結構氣體泄漏聲發射特征的泄漏源定位方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、采集板狀結構表面振動位移作為泄露信號，將泄露信號轉換得到聲時域信號

S2、對步驟S1得到的時域信號進行信號預處理，得到第二有效信號段；

S3、將步驟S2預處理后得到的第二有效信號段作為由n個傳感器組成的環繞型傳感器陣列上MUSIC算法的信號輸入，構造基于陣列方位角掃描的空間譜函數P(θ)，將滿足空間譜函數P(θ)最大值的角度作為傳感器陣列中心相對泄露源的方向角θ；

S4、以傳感器陣列中心為原點，以傳感器陣列所在平面為x，y軸平面建立二維坐標系，以傳感器陣列中心在二維坐標系中的坐標和步驟S3得到的方向角構建多個直線，對構建的直線相交點進行K-均值聚類，得到預估的泄露源位置，實現泄漏源定位。

2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S1中，利用超聲波傳感器環繞型陣列采集表面振動位移作為泄露信號，將泄露信號轉換為電信號，對電信號進行濾波放大，模數轉換后得到輸入電腦的數字信號，作為泄露聲時域信號x(t)。

3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S2具體為：

S201、截取一段聲時域信號中的穩定信號進行快速傅里葉變換，將固定頻率內信號頻域中最大處的幅值對應的頻率作為目標頻率，；

S202、利用小波基對聲時域信號進行小波包n層分解后，選取包含步驟S201得到的目標頻率的信號段作為第一有效信號段；對第一有效信號段進行希爾伯特-黃變換，選取希爾伯特黃變換的第一個分解模態信號作為第二有效信號段。

4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，步驟S201中，固定頻率為0～200kHz。

5.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，步驟S202中，采用小波包n層分解具體為：

在原始信號頻域中標記主頻區域范圍，對主頻區域范圍內進行小波包的n層分解；采用希爾伯特黃變換的方法對信號進行提取，將原始信號按照EMD方法處理，分解成多個IMF分量后再做HT變換得到瞬時頻率和瞬時能量，最終信號被表示成時域-頻率平面上的能量譜形式。

6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，步驟S3中，環繞型陣列中第i個傳感器上收到的信號X_i(t)，傳感器陣列的信號總輸出為矩陣向量X；構造協方差矩陣R，將協方差矩陣R中n個特征值λ₁≥λ₂≥,…,λ_k,…,≥λ_n＞0分解后得k個特征值構成的信號子空間與n-k個特征值構成的噪聲子空間，簡化后得到空間譜函數P(θ)，當P(θ)取到最大值時，將滿足構造的空間譜函數最大值的角度作為傳感器陣列中心相對泄露源的方向角θ。

7.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，空間譜函數P(θ)為：

其中，為構成噪聲子空間的特征向量，a(θ)為延時矩陣的向量，H為共軛轉置符號。

8.根據權利要求6所述的方法，其特征在于，繞型陣列中第i個傳感器上受到的信號X_i(t)表示如下：

其中，S_ij(t)代表第k個泄漏源傳播到第i個傳感器上的信號；N(t)代表噪聲信號。

9.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，信號X_i(t)的矩陣向量形式x如下：

X＝AS+N

其中，A代表由k組列向量組成的尺寸為n×k的延時矩陣；假設每個傳感器最終接受信號的長度為l，S代表由k個長度為l的行向量組成的尺寸為k×l的信號矩陣，N代表由m個長度為l的有色噪聲組成的尺寸為m×l噪聲矩陣。

10.一種基于板狀結構氣體泄漏聲發射特征的泄漏源定位系統，其特征在于，包括：

采集模塊，采集板狀結構表面振動位移作為泄露信號，將泄露信號轉換得到聲時域信號

處理模塊，對采集模塊得到的時域信號進行信號預處理，得到第二有效信號段；

輸入模塊，將處理模塊得到的第二有效信號段作為由n個傳感器組成的環繞型傳感器陣列上MUSIC算法的信號輸入，構造基于陣列方位角掃描的空間譜函數P(θ)，將滿足構造的空間譜函數P(θ)最大值的角度作為傳感器陣列中心相對泄露源的方向角θ；

定位模塊，以傳感器陣列中心為原點，以傳感器陣列所在平面為x，y軸平面建立二維坐標系，以傳感器陣列中心在二維坐標系中的坐標和輸入模塊得到的方向角構建多個直線，對構建的直線相交點進行K-均值聚類，得到預估的泄露源位置，實現泄漏源定位。