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1、声谱分析是将声音(通常指复合声)以图形表示,绘出不同频率的振幅,得到的图形可表示各个频率分量对总体音响的相对贡献。在声乐教学中应用声谱分析,可将看不见的声音可视化,使声乐教学从传统模式转变成“口—耳—眼”相互结合的教学模式。检查岩层的稳定性向来是用敲帮问顶的办法,主要是根据矿工的经验及矿山的特定条件来判别是否安全。然而,这种办法虽然一般都很有效,但有时也会出差错。有些因素往往使区别稳定和非稳定的岩层出现严重差错基于声谱分析的阀门内泄漏检测系统基于阀门内泄漏时产生的泄漏量与泄漏时湍流产生的声发射特征,研制了便携式阀门内泄漏声学检测仪.阐述了基于声学的阀门内泄漏检测系统,通过检测阀门内泄漏产生
2、的泄漏谱估算了阀门的泄漏量.该系统采用了2只压电传感器对泄漏的声信号进行采集,利用DSP技术进行谱分析,并将泄漏谱在频域相减,实现了弱小泄漏的有效检测. 工业阀门在自动化控制、石油、化工、电站、冶金等领域应用越来越广泛,自动化程度也越来越高.由于阀门使用量大、开闭频繁,或使用维修不当,经常发生跑、冒、滴、漏现象,尤其内漏易于引发重大事故,带来不可估量的损失.国外从20世纪60年代起就开展了阀门泄漏检测技术的研究,部分研究成果已经得到了广泛应用.目前,我国在这方面还只是处于理论研究阶段,没有实用的产品.基于阀门内泄漏时产生的泄漏量与泄漏时湍流产生的声发射特征,笔者研制了便携式阀门内泄漏声学
3、检测仪,能够有效检测阀门内泄漏.1、系统构成图1 泄漏检测系统构成 泄漏检测系统构成见图1.图1电路分为3个部分: (1)模拟部分,包括电荷放大器、增益控制电路、带通滤波器; (2)数字部分,主要包括DSP信号处理器、真彩色320×240液晶显示器、薄膜键盘、实时时钟及大容量掉电保持存储器; (3)电源部分,采用可充电锂电池组供电,再由电源电路变换为所需的4组电源. 小孔泄漏时产生的声发射强度极其微弱,加之应用环境噪声较大,所以要检测出在恶劣环境下的阀门内泄漏所发出的声信号,必须对系统模拟信号放大部分进行精心设计.系统的前端为2个压电传感器,其中一个用于检测阀门泄漏时湍流产生的声
4、信号,另一个用于检测管线背景噪声.阀门泄漏时产生的声信号谱范围较宽,能量集中在10～200kHz.为防止频谱混叠,在电路中设置带通滤波器,用以滤除在该频段以外的低频干扰及高频干扰.传感器采用电荷输出的压电传感器,为减小电缆寄生电容的影响,后端接口电路采用电荷放大器.由于信号极其微弱,电荷放大器采用低噪声高增益运算放大器构成.阀门泄漏量的变化范围很大,产生的信号强度变化范围超过100dB.采用固定增益放大将导致放大电路饱和,信号失真.因此,在设计中,DSP信号处理器可通过增益调节电路控制放大电路增益量.设增益量G的调节范围为Gmax～Gmin,后端A/D分辨率为n位二进制位,则该仪器的动态范
5、围Df为由于在DSP处理过程中需要8位有效的二进制位,所以采用16位A/D转换器后,式(1)中的n应取8位,Gmax/Gmin为1000,则仪器的动态范围可达108dB,满足应用要求.人机交互接口采用320×240彩色液晶显示器,键盘采用18健薄膜键盘.设置有拼音输入法,可输入汉字信息.电路中设置有4MB大容量存储器及实时时钟,可对阀门数据记录.另外,该仪器采用USB接口,可直接同计算机相连,实现信息的传输. 考虑到模拟电路的电源抑制能力,电源部分采用1.5MHz专用开关电源芯片,产生±5V电源供电.另外还提供+3.3V数字电源.由于液晶显示器需要800V供电,该电源产生的电磁干扰较强,干
6、扰途径分为电磁辐射、感应耦合及电路传导,必须采取有力措施加以抑制.针对不同的干扰途径,分别采取屏蔽、隔离、滤波及接地等措施,使得干扰下降50dB.2、频谱分析 由于阀门安装管线易受干扰振动,虽然采用了有源模拟滤波电路,但在通带内的管线振动噪声仍然会被放大采集,影响泄漏量的估算.当泄漏较小时,泄漏产生的声信号幅度很小,信号完全被管线噪声淹没.将一个压电传感器安装在距离阀门3～4个管线直径处,另一个压电传感器安装在同侧较远处.在仪器中,分别对2路信号进行频谱分析后,将2个频谱相减,得到的频谱即为泄漏谱.利用该泄漏谱估算阀门的泄漏量. 根据采样定理、信号处理实时性及分辨率的要求,其关系为
7、式中:fs为采样频率;fmax为所需处理信号最高频率;F为频率分辨率;N为采样点数.阀门内泄漏检测系统的fmax为200kHz,F为0.5kHz,依据式(2)的关系,确定f为512kHz,N取1024点.在数据处理过程中,为了减小频谱的失真,引入海明窗作为截取的窗函数,即 式中:w(n)为海明窗;RN(n)为矩形窗.由于海明窗99.963%的能量集中在窗谱的主瓣内,旁瓣峰值小于主瓣峰值的1%.3、结束语 阀门内泄漏检
