Calibration of Minimum Imaging Sound Pressure Level in Air Ultrasonic Source Imagers and Uncertainty Assessment
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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)。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).
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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 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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 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 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 −10 mm −5 mm 0 mm +5 mm +10 mm 3.15~40 −0.03 −0.01 0.00 0.01 0.03 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 −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 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 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 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 -
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