超声检漏方法及应用研究

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1、第27卷第6期航天器环境工程2010午12月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING739超声检漏方法及应用研究郭欣，闰荣鑫(北京卫星环境工程研究所，北京100094)摘要：超声检漏法是一种新型可快速定位漏点的无损检测方法。文章对泄漏超声进行了理论分析，说明了方向角，检测距离等信号检出影响因素，建立了真空系统泄漏CFD模型，进行参数计算，并进行了真空系统泄漏超声检测试验和阀门内漏超声检测试验，总结出超声检漏试验方法，并初步得到声信号与泄漏量间的函数关系。关键词：超声波：检漏：真

2、空系统；阀门内漏中图分类号：TB774：TNl07文献标识码：A文章编号：1673-1379(2010)06-0739-03DoI：10．3969巧．issn．1673—1379．2010．06．0160引言超声波具有定向传播功能，能够快速定位漏点，属于非接触性测试，易于操作，从而能快速地进行产品密封性能测试，提高产品地面密封检测的效率和准确性。在目前的产品地面检漏过程中，由于连接件数量众多，氦质谱检漏工艺方法无法快速定位和定量，特别是被检件存在大漏时确定漏点就更加困难；其他方法如真空指向规【11、差

3、压检漏[21等方法具有一定局限性，只能应用于特殊工况。此外，氦质谱检漏方法便于检测外漏，而容器内部管道阀门两侧的泄漏则很难检出。内漏的超声信号经固体传导可实现外部检出，从而大大提高检测可靠性，减少检漏工装数量，降低操作难度。1检测原理分析航天器内储箱、管道等加压泄漏时，受压介质通过缝隙流出，将产生大雷诺数、高速湍流气体，引发20kHz以上频率的气体振动，此振动将以声波的形式传播并可被接收。它的本质是冲击噪声和气体分子摩擦噪声，漏孑L较大时人耳能听见漏气声，当漏孔较小、声波频率大于20kHz时，人耳就听

4、不到了，但它可以在空气中传播，称为空载超声波，是一种短波信号，具有很强的指向性，所以具有优良的定位作用。1．1信号指向性分析根据线性超声经典理论，超声波传播具有方向性和射线性。对于圆盘形换能器，接收或发射声束在一定条件下为一个渐变发散形波束，如图l所示。其扩散角‘3】j0=sin一(0．61·2)，(1)r角0代表了换能器接收的角度指向性，检漏试验设备所用精密圆盘超声换能器半径为6mm，超卢频率40kHz，则计算得0=550。瑁图1超声发射波束Fig．IUltrasonicemissionwave1．

5、2检测距离影响声束的扩散、声信号的散射和介质对声波的吸收都会造成超声信号的衰减，远场处信号逐渐变弱直至不可测。吸收衰减都符合指数衰减规律。对沿同方向传播的平面波，由于不需要考虑扩散衰减，则卢压随距离X的变化是P=Poe”。，(2)收稿日期：2010-03．02；修回日期：2010-11-16作者简介：郭欣(1981一)，男，工学硕士，主要从事航天器超声密封检漏技术研究。Email：guoxinxin96l@163．com。740航天器环境工程第27卷式中：口为吸收衰减系数；Po为卢源声压；x为传播距离

6、。当频率为40kHz时，口约为6dB／m。代入式(2)，则在距声源0．1m处声压P为Po的0．55倍，在距声源0．5m处声压P为Po的6．7×lO’3倍。13泄漏量大小对信号频谱的影响对于频谱来说，泄漏超声信号的频带分布是很宽的，一般在20"-"100kHz之间，它的谱峰也是随泄漏量的变化而变化。在一定的压力和孔径下，加大压力谱峰会向高频区移动，而减小压力谱峰会向低频区移动；加大孔径谱峰会向低频区域移动，反之亦然，同样峰值能量也会有所改变。经过对航天器常见泄漏工况试验验证，我们认为对于抗噪来说在20k

7、Hz以上频率范围，本底噪声能量下降很快，约为噪声最大值的3％～5％，而泄漏噪声能量变化不大，所以选取超卢区，特别是20kHz以上频带作为检测范围是比较合适的。1．4超声聚音功能研究对于能量较小、小潜峰幅度和小声压信号以及环境超声噪音较大的情况，需要考虑超声聚音和减少能量传播损失。主要依靠两种方式：一个是探棒；另一个是聚音器。使用探棒时要将探棒尖紧贴在被测物体上，因为固体声阻抗小，无驰豫现象，能量损失少，所以可获得较大的信号声能。另外对于内漏件，如阀门，由于声信号主要在管道内部传播，穿透到外部空气中的声

8、信号极少，强度也很小，泄漏湍流能量主要是转化为阀体振动能量，所以使用探棒才能有效地获取泄漏信号。要求探棒声学性能为高阻抗、低衰减，常见金属中如不锈钢(特性阻抗pc，=4．57)、钨(店，=IQ42)、铂(pc，=8．46)等同时具有高特性阻抗和低衰减率，均为优良探棒材料【4J。我们选用了1Crl8Ni9Ti材料不锈钢和L1铝材作为探棒材料。2真空系统检漏超声反向传播研究真空系统泄漏时，真空侧没有波动传播介质，需要在大气侧进行检测，测试方向与气体流动方向相