便携式舱内超声检漏仪的研制

闫荣鑫 孙伟 李唯丹（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）



便携式舱内超声检漏仪的研制

闫荣鑫 孙伟 李唯丹
（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

针对载人航天器在轨声学检漏的物理过程，以气动声学喷流噪声理论为基础，对气体流过漏孔的声音在舱内传播及信号检测的机理进行了研究，建立了气体泄漏产生的声功率和漏孔的几何尺寸及舱内气压的关系式，发现在毫米级直径的漏孔产生的声信号的中心频率大于20kHz；研究了漏孔产生的声音信号传播的声压同接收方向和距离的关系式，模拟航天器舱内气体向太空泄漏时在舱内检漏的实际工况，进行了不同尺寸漏孔探测距离、探测方位的试验，初步验证了传感器接收到的漏孔声压和传感器法线与漏孔和传感器中心连线角的余弦成正比。完成了在轨检漏仪原理样机的研制，最小可检漏率达到10－1Pa·m3／s量级；定位范围优于20mm，质量小于1.2kg，功耗小于2.2W。

气体泄漏；超声波；声传播；检漏仪；载人航天器

1 引言

长期运行的载人航天器遭到空间碎片、微流星的撞击后，密封舱体可能出现穿孔而引起泄漏事故。因此需研究在轨漏点检测和定位技术，快捷地检测到泄漏的位置，以便采取相应的维护措施。研制一种航天员在密封舱内就能进行适当范围漏率的漏孔定位检漏仪，进行在轨维修，十分必要。

目前国内外相关的研究有舱外真空方向规高灵敏检测技术［1－2］、传感器阵列结构泄漏在线监测技术［3－8］、便携式快速舱内泄漏检测技术。舱外真空方向规可以检测出较小的漏孔，具有很高的灵敏度，但需要在舱外进行，要求有复杂的机构支持或者需要航天员出舱。传感器阵列结构泄漏在线监测则要求在航天器结构上布置多个传感器阵列，目前仅进行到地面研究阶段。我们开展了基于超声信号的便携式航天员舱内检漏技术及仪器的研究工作［9－11］，发现在进行各种试验及设计时，需要对漏孔产生的声音信号、声信号的传播和有效检测等物理机理进行研究。为此，本文建立了数学表达式，进行试验验证，并对检漏仪进行了研制。

2 原理分析

2.1 泄漏产生声信号

航天器密封舱体内出现泄漏时，气体在压力差的作用下从密封结构中沿泄漏通道向舱外真空环境泄漏，气体介质穿过微小孔径时，其流速较高，处于湍流状态，包含大量的湍流漩涡，气体湍流漩涡间相互作用的内应力使得它们各自体积元上受到了大小相等、方向相反的起伏力的作用，从而导致气体产生四极子性质的喷流声源。对于直径为d，长度为l的漏孔，其喷流的声功率PT为［12］8

式中 ρ0为舱内大气密度；u为喷口处的气体喷射速度；c0为声波在舱内大气下的传播速度；ρs为标准大气密度。

对于密闭的载人航天舱体，舱体内部的压力会因出现泄漏而发生变化，其舱体压力pt为

式中 C为漏孔的流导；V为舱体体积；p0为舱内初始压力；pout为舱外真空状态压力；t为时间。

一般载人密封舱体体积V在10～100m3范围，舱体可能出现的漏孔直径在0.1～2mm，流导较小。因此，由式（2）可得出：对于0.1mm的漏孔，10m3的舱体，要使舱内气体压力下降1kPa，需要10.5h时间。因此，当检漏时间为数分钟时，其舱压pt变化很小，出口压力处于真空状态，很小，其流速u［13］为

式中 u为气体分子通过漏孔处的流速；γ＝cp／cV，cp为舱体气体的定压比热；cV为舱体气体的定容比热。把式（3）带入式（1）得

2.2 漏孔声信号的传播

漏孔处所产生的声信号，需要传播至声换能器的接收传感器并被有效地检测到才可进行检漏。假定漏孔处产生的喷流声功率PT为点源，如图1所示，它的声波波动方程为

图1 点源声场传播Fig.1 Dot source transmitting in sound field

式中 r为接收点的位置；p为接收点处的声压。其声场解为

如果接收端换能器传感器法线与漏孔和探头中心连线的角度为α，则超声换能器接收到的声压为

式（8）表明：如果载人舱体出现直径为d、长度为l的漏孔时，在特定的测定距离r和测定方向夹角α下，通过声压的测量，就可确定发生泄漏的漏孔大小。

图2 泄漏产生的声信号归一化功率谱Fig.2 Power spectrum of the acoustics signal caused by leak

2.3 漏孔声信号的中心频率

气体泄漏产生声波频谱是复杂的，换能传感器测量过程也不能覆盖泄漏产生的全部声波频带，为了能够有效检测泄漏产生的声波，应避免其他声信号的干扰，尽可能寻求泄漏喷流所产生信号的最大频率。根据目前国内外的研究情况，泄漏的声功率谱是斯特劳哈尔数fd／u的函数，其中f是超声频率。大量的试验研究表明，如果采用归一化办法，以修正后的斯特劳哈尔数为横坐标，功率谱级为纵坐标，其经验曲线［14］如图2所示。

图2中的曲线可以逼近于曲线方程：

为了提高检测的灵敏度，在中心频率处的功率谱级密度峰值灵敏度最大，对式（9）求一阶导数且数值为0，可得

表1 不同直径漏孔泄漏产生的声信号的中心频率Tab.1 Center frequency of different diameter of leak signal

从表1中可以看出：由漏孔喷射流产生的最大声功率对应的频率都大于20kHz，即全部处于超声信号状态，舱体内部设备运行的可听信号可以通过检测器的频带带宽限制，仅检测超声信号就可确定漏孔产生的声泄漏信号。

3 试验验证

设计如图3所示的超声泄漏检测系统，验证喷射声源漏孔和换能器检测仪的距离关系。利用已有的环境模拟系统，将漏孔作为点声源，以声源为原点建立超声波声场分布检测示意如图3所示，将超声换能接收器及放大电路作为接收端放置在可三维移动的装置上。图4是超声泄漏检测距离试验装置示意。

试验时，打开真空泵，将真空容器抽至真空状态，在确认闭合插板阀的状态下，更换合适的漏孔，再打开插板阀，模拟气体从舱内向空间泄漏产生超声信号在舱内检测的状态。将换能器超声检测系统放置在三维支架上，调节至合适坐标后，采集超声信号并由上位机软件记录频谱，每个位置采集30个数据，求其平均值，即得到所需试验数据。

图3 声场分布试验示意系统Fig.3 Sound field distributing test system

图4 超声泄漏检测距离试验装置Fig.4 Distance test system for ultrasonic leak detection

3.1 距离试验及结果分析

由式（8）看出，由漏孔处气体泄漏产生的声信号传播时，如不考虑空气的吸收和散射因素，那么接收器接收到的声压和接收距离成反比。

试验时，将检测端接收器放置在x轴上，随着距离的移动记录频谱波形。通过移动声传感器，控制传感器与漏孔之间的距离，从20mm逐渐增加到500mm，测量漏孔直径为0.8mm，1.5mm 和2.0mm，得到如表2所示的试验数据。

表2 随距离变化的声压试验结果Tab.2 Experiment results of sound pressure changing with distance

图5 漏孔的声压随距离变化曲线Fig.5 Curve of sound pressure changing with the distance

将表2中所获得的数据绘制于二维图中，对所获得的数据进行多项式拟合，得到3个漏孔分别对应的曲线如图5所示。

从表2和图5可以看出，换能接收器接收到的声压信号随着探测距离的增加会急剧下降，但并非式（8）所分析的完全呈反比例关系，这是由于忽略了空气对超声信号的吸收和散射作用而造成声波传播偏离点源球面波模型所引起的。

图6 漏孔的声信号和检测方向角的试验示意Fig.6 Leak sound signal and testing angle

3.2 接收角度试验及结果分析

由式（8）看出，如果漏孔处气体源和接收器接收面之间存在夹角，则接收器测到的声压就应该存在余弦结果。

图6是建立的载有超声信号接收传感器的云台试验装置，R为云台半径，c为云台旋转角度，l为检测仪中心轴距漏孔中心距离，l1为探头平面与漏孔平面距离，S为探头接收平面面积，Sc为有效接收面积。推导可得：

测试了不同云台旋转角度下超声传感器所对应的声压，结果见表3。

表3 接收传感器随角度变化的声压试验结果Tab.3 Experiment results of sound pressure signal with different testing angle

图7 接收传感器随云台转角变化的声压试验结果Fig.7 Test result of the sound pressure for the receiving sensor on the platform

根据表6中数据，绘制曲线如图7所示。从试验数据可以看出，云台转角在30°后接收信号明显增强，60°左右时达到最大，而60°后信号强度下降很快。

从式（11）可得：0°、30°、60°、90°四个云台转角c所对应的α角度分别为89°、50°、4°、47°，而其有效检测面积和cosα相关，cosα值分别为0.024、0.643、0.99、0.681；其试验检测的信号最大强度为试验云台转角度为60°，与理论分析的结果相一致，即声压和检测器的接收方向和漏孔连线的余弦成正比。

4 超声检漏仪的设计

以上机理研究表明：超声换能器检测到漏孔产生的气流声压信号值包含了漏孔的几何尺寸和检测方位角的信息，这正是检漏的基本任务。为此，我们设计了便携式超声在轨检漏仪，设计的主要功能如下：

1）具有舱体泄漏及舱内管路泄漏的检测和漏点定位功能，具有漏孔范围评估功能；

2）具有良好的人机界面，实时显示并报警，可由航天员单手把持进行操作；

3）可利用船载电源充电，其充电接口满足建造规范要求；

4）具有在轨可维修或更换的能力。

其中最主要的是密封舱体的泄漏和舱内管路泄漏的检测及漏点定位功能，且舱体向舱外真空环境中泄漏时，可从复杂的舱内环境中准确提取到微弱的泄漏超声信号，快速地确定漏孔位置，实现在舱内检测，不需要航天员出舱活动，降低了风险性，提高了可靠性；而对于舱内管路的泄漏检测，便携式超声则可以远距离、大范围地探测到泄漏的发生，确定漏点的位置，而且由于管路向舱内泄漏属于喷注情况，其产生的泄漏超声强度要高，检测灵敏度要大。

该检漏仪主要由探头、主机结构、前置放大电路、DSP核心处理电路、显示按键电路、电源控制电路和电池组构成，其系统结构如图8所示。

图8 便携式超声检漏仪系统示意Fig.8 Diagram of the portable ultrasonic leak detector

便携式超声在轨检漏仪的超声探头采用非接触式压电超声传感器，测距功能则采用激光器和红光敏感器组成的探头，具备测距和指点功能；以DSP为核心处理器，通过设计四级高放大倍数的前置放大器将微弱泄漏超声信号有效地从环境背景噪音中提取出来，将模拟信号送入每秒3×106次采样率的16bit高精度AD的DSP嵌入式测控电路，进行FFT变化、特征频带累积、特征信号值的比对，以及判漏算法处理和定漏算法处理，将结果显示在LCD屏幕上，并通过所测试的泄漏特征信号的声压值与激光测距信号的距离值相结合，进行泄漏判断与漏孔大小评估。其仪器属于微小型嵌入式系统，程序部分主要利用C语言进行程序开发，由CCS5进行编译烧写至硬件系统中，实现显示、按键、信号采集、存储和处理等功能。

便携式超声在轨检漏仪的整体结构采用手枪式结构形式，采用黑色的ABS工程塑料，具有良好的加工性能和结构强度。手柄处为充电2.2A·h的锂电电池组、整机开关及J599的充电接口；而机身部分为长方形盒体结构，其前部为探头、中部为电路、后部为人机交互界面。

便携式超声检漏仪通过性能测试试验，可以在大气端检出由大气向真空环境Φ0.3mm的漏孔，漏率等效为0.8Pa·m3／s泄漏，感知范围100mm×100mm内存在0.3mm的漏孔，且定位精度优于20mm，实测质量1.0kg，工作功耗：2.2W。

5 结束语

本文对载人航天器在轨泄漏超声信号的产生、传播、检测的机理进行了初步探讨，得到了声功率和漏孔大小、声强度和探测距离、漏孔和接收器的检测方向的表达式，通过验证试验，得到如下结论：

1）大舱体结构泄漏产生的声功率与漏孔的几何尺寸相关，在毫米级漏孔直径时产生的声信号的中心频率大于20kHz；

2）漏孔泄漏声波在舱内空气中传播，其强度随传播的距离增大而急剧下降；

3）接收传感器接收到的漏孔声压和传感器法线与漏孔和传感器中心连线的角余弦成正比；

4）在轨检漏仪原理样机的研制，最小可检漏率达到10－1Pa·m3／s的量级；定位精度优于20mm，质量小于1.2kg，功耗小于2.2W。

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Research and Design on a Portable Intravehicular Ultrasonic Leak Detector for Manned Spacecraft

YAN Rongxin SUN Wei LI Weidan （Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering，Beijing 100094）

Based on the acoustics cascade noise theory，the mechanism of air leaking noise transmitting and signal detecting was analyzed.A formula of the sound power，the leak size and the air pressure in the spacecraft was built，and the relationship between leak sound pressure and receiving direction and distance was studied.The center frequency in millimeter diameter leak is more than 20kHz.The situation of air leaking from spacecraft to space was simulated and an experiment of different leak sizes and testing distances and directions was carried out.The results show that the sound pressure is in direct proportion to the cosine of the angle of leak to the sensor.The portable ultrasonic leak detector was developed，with which the minimal leak rate is 10－1Pa·m3／s，the testing radius is longer than 20mm，the mass is less than 1.2kg，and the electric power is less than 2.2W.

Air leak；Ultrasonic；Sound transmitting；Leak detector；Manned spacecraft

10.3780／j.issn.1000－758X.2015.03.008

（编辑：车晓玲）

闫荣鑫 1964年生，1988年获中国空间技术研究院真空物理专业硕士学位，研究员。研究方向为航天器总体装配测试。

2014－10－24。收修改稿日期：2015－03－12