成像最小声压级校准及不确定度评定

张瑞纹; 庞晓峰; 高申平; 沈煜航

doi:10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0256

成像最小声压级校准及不确定度评定

doi: 10.12338/j.issn.2096-9015.2023.0256

张瑞纹^1,,
庞晓峰^1, ,,
高申平²,
沈煜航^{2, 3}

1.
深圳市计量质量检测研究院，深圳 518072
2.
浙江省计量科学研究院，杭州 310018
3.
中国计量大学，杭州 310018

基金项目: 浙江省市场监督管理局科技项目(QN2023421) 。

详细信息

作者简介:
张瑞纹（1990-），深圳市计量质量检测研究院高级工程师，研究方向：声学计量与检测，邮箱：ruiwenbb_zhang@163.com

通讯作者:
庞晓峰（1988-），深圳市计量质量检测研究院工程师，研究方向：声学振动计量，邮箱：397977562@qq.com

中图分类号: TB95
计量
- 文章访问数: 72
- HTML全文浏览量: 27
- PDF下载量: 12
- 被引次数: 0
出版历程
- 收稿日期: 2023-11-02
- 录用日期: 2023-12-05
- 修回日期: 2023-12-11
- 网络出版日期: 2023-12-16
- 刊出日期: 2023-11-18

Calibration of Minimum Imaging Sound Pressure Level in Air Ultrasonic Source Imagers and Uncertainty Assessment

1.
Shenzhen Institute of Metrology and Quality Inspection, Shenzhen 518072, China
2.
Zhejiang Institute of Metrology, Hangzhou 310018, China
3.
China Jiliang University, Hangzhou 310018, China

摘要

摘要: 空气超声源成像仪（波束形成法）广泛应用于局部放电及气体泄漏检测中，其成像最小声压级的校准是空气超声源成像仪定量技术的前提，直接影响空气超声源成像仪可检出的最小气体泄漏量、工作距离及局部放电的检出能力。随着波束形成技术的不断发展，通过优化阵列尺寸、传声器数目、传声器间隔等参数，声源识别定位的精度不断提高，在传声器阵列便携的前提下，可识别的成像最小声压级不断减小，使该参数的定量结果不易得到，为国内外产品在参数比对和定量测量造成困扰。基于低本底噪声测量系统，搭建空气超声源成像仪成像最小声压级校准系统，选择三款使用广泛的空气超声源成像仪进行实验，选择小尺寸声源模拟局部放电和气体泄漏引起的声学信号，确定校准距离与校准环境，通过同心定位圆环组监测小尺寸声源的成像定位误差，辅以12线高精度激光水平仪减小信号对齐带来的影响，实现对成像最小声压级进行校准。对测量结果进行不确定度评定，结果表明，在20～40 kHz频率范围内，成像最小声压级的扩展不确定度可以达到3 dB(k=2)。
- 计量学 /
- 成像最小声压级 /
- 空气超声源成像仪 /
- 波束形成 /
- 不确定度评定
Abstract: The air ultrasonic source imager (beamforming method) is widely utilized in detecting partial discharges and gas leaks. Calibration of its minimum imaging sound pressure level (SPL) is crucial for quantitatively assessing the instrument, directly impacting the detection capabilities for minimal gas leaks, operating distance, and partial discharge detection. With beamforming technology advancements, optimizing array size, number of transducers, and inter-transducer spacing has enhanced source identification and positioning accuracy. As a result, under portable array conditions, the detectable minimum imaging SPL has decreased, posing challenges in obtaining quantitative results, and causing comparison and measurement issues in domestic and international products. This study establishes a calibration system for the minimum imaging SPL of air ultrasonic source imagers using a low-background noise measurement system. Three widely-used air ultrasonic source imagers are selected for experiments, simulating acoustic signals from partial discharges and gas leaks with small-sized sources. Calibration distance and environment are determined, and concentric positioning rings are used to monitor imaging localization errors of small sources. A 12-line high-precision laser leveler aids in minimizing signal alignment impact. This method enables the calibration of minimum imaging SPL. The measurement uncertainty is assessed, showing that within the 20–40 kHz frequency range, the expanded uncertainty of the minimum imaging SPL can reach 3 dB (k=2).
- metrology /
- minimum imaging sound pressure level /
- air ultrasound source imaging instrument /
- beamforming /
- uncertainty evaluation

HTML全文

图 1 成像最小声压级测量装置

Figure 1. Measuring device for minimum imaging sound pressure level

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 B&K 4939 1/3倍频程本底噪声

Figure 2. Inherent noise of B&K 4939 with 1/3 octave

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 B&K 4939 快速傅里叶分析本底噪声

Figure 3. Inherent noise of B&K 4939 with Fast Fourier Transform (FFT) analysis

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 三款空气超声源成像仪成像最小声压级

Figure 4. Minimum imaging sound pressure level of three air ultrasonic source imagers

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1 成像最小声压级测量结果

Table 1. Test results of minimum imaging sound pressure level

频率/kHz	产品A /dB	产品B /dB	产品C /dB	测试系统本底噪声/dB
3.15	21.8	27.5	20.7	10.5
4	23.0	28.3	20.1	7.5
6.3	26.2	25.1	16.4	4.8
8	16.7	18.8	14.1	3.0
10	24.7	17.5	12.0	1.9
12.5	19.4	23.0	13.9	1.8
16	24.2	22.1	20.9	0.6
20	19.6	23.6	16.6	0.4
31.5	11.8	26.6	13.2	−0.7
40	14.2	25.3	26.4	−1.0
47.5	—	—	27.9	−0.45
50	—	35.3	—	−0.77

下载: 导出CSV

表 2 成像最小声压级重复性测试

Table 2. Repeatability test for minimum imaging sound pressure level

频率/kHz	声压级/dB										标准偏差/dB
频率/kHz	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	标准偏差/dB
3.15	19	19	19	25	25	23	22	22	22	22	2.3
4	20	25	19	24	24	23	24	24	23	24	1.9
6.3	26	26	26	26	26	27	26	26	26	27	0.4
8	17	18	17	17	17	17	16	16	16	16	0.7
10	26	27	26	25	25	24	23	24	24	23	1.3
12.5	19	20	20	19	19	19	19	20	19	20	0.5
16	23	24	25	25	25	25	23	24	24	24	0.8
20	20	17	19	19	20	21	20	20	20	20	1.1
25	6	6	6	6	5	5	6	6	6	6	0.4
31.5	12	12	12	12	12	12	11	12	12	11	0.4
40	14	14	15	15	16	15	13	14	13	13	1.0

下载: 导出CSV

表 3 测量距离变化对测试结果的影响

Table 3. Impact of measurement distance on test results

频率/kHz	声压级变化量/dB
频率/kHz	−10 mm	−5 mm	0 mm	+5 mm	+10 mm
3.15～40	−0.03	−0.01	0.00	0.01	0.03

下载: 导出CSV

表 4 水平偏移距离对测试结果的影响

Table 4. Impact of horizontal offset distance on test results

频率/kHz	声压级/dB
频率/kHz	−6 mm	−4 mm	−2 mm	0 mm	+2 mm	+4 mm	+6 mm
3.15	60	60	61	61	61	61	61
4	60	60	60	60	60	60	61
6.3	59	59	59	60	60	60	60
8	59	60	60	60	60	60	60
10	63	64	64	64	64	64	64
12.5	58	59	59	59	59	58	59
16	60	61	61	61	60	60	60
20	63	63	63	63	63	63	62
25	62	62	62	61	61	60	60
31.5	62	60	60	61	59	60	61
40	60	59	59	59	58	58	58

下载: 导出CSV

表 5 声压级测量系统引入的不确定度

Table 5. Uncertainty introduced by the sound pressure level measurement system

测试仪器名称	最大允许误差/ dB	测量不确定度/ dB（k=2）
声分析仪	±0. 5	0.30
测量传声器	/	0.50
前置放大器	±0.3	0.17

下载: 导出CSV

表 6 测量不确定度来源和符号一览表

Table 6. List of sources and symbols of measurement uncertainty

序号	来源	符号
1	重复性测量引起的不确定度	u₁
2	声压级测量点距声源辐射面的距离误差引起的不确定度	u₂
3	水平偏移距离引起的不确定度	u₃
4	声压级测量系统引入的不确定度	u₄

下载: 导出CSV

表 7 合成标准不确定度

Table 7. Combined standard uncertainty

频率/kHz	合成标准不确定度/dB
3.15	2.45
4	2.08
6.3	0.93
8	1.09
10	1.55
12.5	0.98
16	1.16
20	1.38
25	0.93
31.5	0.93
40	1.31

下载: 导出CSV

参考文献(30)

[1]	褚志刚, 杨洋, 倪计民, 等. 波束形成声源识别技术研究进展[J]. 声学技术, 2013, 32(5): 430-435.
[2]	覃启铭, 王云承, 张振兴, 等. 电力设备声学成像和声源定位技术的研究与系统实现[J]. 大众用电, 2023, 38(6): 40-41.
[3]	徐晓刚, 侯春光, 陈正擎. 基于超高频和声学成像联合检测的开关柜局部放电研究[J]. 电器与能效管理技术, 2023(4): 34-39.
[4]	陈月, 孙进, 徐友刚, 等. 基于声学定位技术的电力电缆防火封堵性检测研究及应用[J]. 电子技术与软件工程, 2022(22): 106-109.
[5]	王韵. 基于超声检测的电缆局部放电信号特征分析与模式识别[D]. 重庆: 重庆大学, 2022.
[6]	庞炜涵, 张卫民, 陈国龙, 等. 压力容器微泄漏点的非接触超声定位检测研究[J]. 仪表技术与传感器, 2016(2): 63-65. doi: 10.3969/j.issn.1002-1841.2016.02.019
[7]	尚嘉诚. 一起110 kV断路器SF6气体泄露处理与分析[J]. 农村电气化, 2022(3): 90-91.
[8]	陈文王, 安兆亮, 周子炜, 等. 空气超声波检漏仪检测方法[J]. 上海计量测试, 2014, 41(5): 9-12.
[9]	李俊杰, 王宏伟, 王俊生. 飞机气体系统泄漏超声信号的处理方法[J]. 无损检测, 2010, 32(11): 861-864.
[10]	倪颖锋. 1050MW超超临界火电机组真空系统查漏及改造方法[J]. 节能技术, 2021, 39(6): 520-523.
[11]	董胜强. 300MW空冷机组真空泄露原因分析及查漏方法[J]. 硅谷, 2015, 8(4): 177, 219.
[12]	尹莘新. 基于时差法的声发射源定位方法研究[D]. 长春: 吉林大学, 2020.
[13]	司文荣, 李泽春, 熊朝羽, 等. 基于MEMS光纤超声传感器的局放定位系统研制[J]. 传感技术学报, 2020, 33(10): 1522-1528.
[14]	吴鑫, 赵红霞, 罗筱毓, 等. 基于BP神经网络的岩石损伤声发射事件源定位研究[J]. 中国安全生产科学技术, 2021, 17(8): 36-42.
[15]	WANG S F, WANG H L, WANG D R, et al. AAE source localization and imaging on cylindrical shell structures based on six-AE-sensor monitoring network and VTR focusing imaging[J]. Nondestructive Testing and Evaluation, 2021, 36(1): 35-61. doi: 10.1080/10589759.2019.1692012
[16]	魏建林, 周阳, 杨晓辉, 等. 一种改进模态声发射源线性定位方法[J]. 中国测试, 2020, 46(11): 10-15.
[17]	HE T, XIE Y, SHAN Y C, et al. Localizing two acoustic e-mission sources simultaneously using beamforming and sin-gular value decomposition[J]. Ultrasonics, 2017(85): 3-22.
[18]	祝思宁, 李洋, 肖登红, 等. 频域加权陷波多声发射源定位与伪源辨识方法[J]. 测控技术, 2023, 42(6): 92-98,123.
[19]	杨洋, 倪计民, 褚志刚, 等. 基于互谱成像函数波束形成的发动机噪声源识别[J]. 内燃机工程, 2012, 33(3): 82-87.
[20]	鲁光军, 杜富荣. 在PULSE系统中测量声压级的技巧[J]. 计量科学与技术, 2021, 65(11): 8-10.
[21]	王铭铎. 基于麦克风阵列的转机故障信号增强与定位算法的研究[D]. 吉林: 东北电力大学, 2023.
[22]	SonaVu可视化声学成像仪精准定位噪音源[J]. 设备管理与维修, 2023(8): 6.
[23]	毛宏宇, 杨平, 何龙标, 等. 国内外飞机噪声标准研究进展及对比分析[J]. 计量科学与技术, 2022, 66(1): 9-13,56.
[24]	乔渭阳, Ulf Michel. 二维传声器阵列测量技术及其对飞机进场着陆过程噪声的实验研究[J]. 声学学报, 2001(2): 161-168.
[25]	唐玥, 杨志坚. 基于球型传声器阵列的高分辨率低频波束形成算法[J]. 噪声与振动控制, 2023, 43(6): 8-15.
[26]	LI X , ZHANG X , TAN Y , et al. Optimization of digital multi-beamforming for space-based ADS-B using distributed cooperative coevolution with an adaptive grouping strategy[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2023, 36(10): 391-408.
[27]	Yuting Z , Zeng L , Hongtao Z . Robust Beamforming Under Channel Prediction Errors for Time-Varying MIMO System[J/OL]. [2023-12-11]. ZTE Communications: 1-14.
[28]	马大猷. 现代声学理论基础[M]. 北京: 科学出版社, 2004: 89.
[29]	杜功焕, 朱哲民, 龚秀芬. 声学基础[M]. 南京: 南京大学出版社, 2021: 202-222.
[30]	李志雄. 浅析线阵列扩声中的空气衰减及处理办法[J]. 电声技术, 2004(1): 29-32.