声学检漏技术深度解析：从超声波到声发射的原理与实践

在工业设备与系统的完整性评估中，泄漏检测是不可或缺的关键环节。利用声波作为探测媒介的声学检漏法，因其独特的非接触、远距离探测能力而备受关注。声波，作为机械振动在弹性介质中的传播形式，其频率谱极为宽广。以人耳感知能力为界，可划分为次声波（f < 20Hz）、可闻声波（20Hz ≤ f ≤ 20kHz）以及超声波（f > 20kHz）。在泄漏检测领域，我们主要关注的是高频的可闻声波与超声波，特别是频率在30-40kHz范围的超声波信号。

从听到“漏声”说起：原始的听音法

最直观的检漏方式莫过于“听”。无论是直接用耳朵，还是借助医用听诊器、木棒等简易的声波接收器，去捕捉漏孔产生的可闻声音信号，都属于听音法的范畴。然而，这种方法的局限性显而易见：灵敏度极低。一方面，微小泄漏产生的声音能量本身就非常微弱；另一方面，工业现场复杂的环境噪声极易将微弱的泄漏信号淹没，使得有效辨识变得异常困难。

超声波检漏：捕捉湍流的“尖叫”

当流体泄漏不再是温和的层流，而是转变为湍流时，情况就发生了变化。这种转变通常发生在系统存在较大漏孔（漏率大于10^-3 Pa·m³/s）的场景下。高速气体穿过漏孔形成的湍流，会在漏孔附近激发出频率高于20kHz的连续宽带超声波。这为我们提供了更高信噪比的探测机会。

1. 超声波定向探头检漏法（空气耦合）

泄漏产生的超声波在空气中传播，其中心频率 f 与射流速度 v 和漏孔直径 d 相关，可用 f = β * (v/d) 来近似描述（其中β为系数，通常取0.2）。一个重要的物理关系是，压差越大、漏孔越小，信号的频率峰值会向高频段移动；而发射的声功率则与射流速度 v 的8次方成正比。这意味着，高压下的微小泄漏，会产生能量可观的高频超声波。

超声波检漏仪的工作方式，类似于无线电定向。操作人员手持定向性极强的超声波探头，在距离可疑泄漏点数米甚至几十米（最远可达30m）的范围内进行扫描。由于超声波信号具有优良的方向性，当探头正对漏孔时，仪器会接收到最强的信号。为了进一步增强定向能力，探头常配备抛物面反射器，将声能聚焦到传感器上。同时，仪器内部通过外差法，将人耳无法听见的超声波信号转换为可闻声，并通过仪表盘直观显示信号强度，实现了“听到”并“看到”泄漏。

图1 超声波漏孔探测器对声音信号的调制与显示

现代检漏仪通常具备30-40kHz的固定波段频率选择模式。当现场背景噪声过强时，操作人员可以微调接收频率，有效规避干扰，提升检测的可靠性。然而，噪声源是多种多样的，包括系统内部流体的湍流噪声、机械摩擦、空气传播的环境噪声、金属撞击声以及传感器电路自身的电噪声，这些都是实际检测中必须面对和处理的挑战。

需要明确的是，超声波检漏的物理基础是湍流。对于极小的漏孔，当流体以粘滞流甚至分子流的形式通过时，无法产生有效的超声波信号，因此该方法对于检测小于10^-7 Pa·m³/s的微小漏率显得无能为力。

2. 超声波接触探头检漏法（固体耦合）

与探测空气中传播的超声波不同，此方法关注的是泄漏在固体结构中激发的声波。当漏孔内外存在较大压差时，气体通过漏孔会产生应力波（固体声），这种应力波以兰姆波等形式在器壁上传播。通过将AE换能器（声发射传感器）等接触式探头直接耦合在器壁上，可以高效地接收这种结构声能，并将其转换为电信号。

直接与器壁耦合的接触式传感器，其灵明度远高于空气耦合的定向探头。为了确保声能的高效传递，传感器与器壁间的耦合至关重要，通常需要涂抹耦合剂（如油、甘油等）来排除空气间隙。仪器通过带通滤波器对宽频信号进行筛选，当特定频率的泄漏信号被激励时，仪器上会显示出明显的峰值，从而指示泄漏的存在。该方法在40kPa压差下，能够检测到直径大于25μm的漏孔。

3. 超声波人造声源检漏法

在某些情况下，如容器无内部压力，漏孔本身不会产生声波。这时，可以采用主动发声的方式。将一个能够产生强烈颤声脉冲信号（如40kHz）的超声波发生器置于容器内部，使其发出的超声波充满整个容器。声波会从存在的漏孔中“逃逸”出来。此时，在容器外部使用超声波定向探头进行扫描，即可精确定位声波穿透点，也就是漏孔的位置。

4. 脉冲超声波检漏法

这是一种更为特殊的检漏思路，其原理更接近于常规的超声波探伤。它并非利用泄漏产生的声波，而是主动向被检件发射脉冲超声波。高频脉冲电路（1.6-5MHz）激励换能器，使其发射的脉冲超声波在器壁内部传播。当声束遇到漏孔（作为一种缺陷）时，部分声能会与漏孔的端部发生相互作用，在宽角度范围内产生散射回波。这些回波信号被探头接收并显示在示波屏上。通过移动探头，分析来自漏孔不同部位的回波信号形态与大小，可以间接判断漏孔的漏率。该方法曾成功应用于大型容器（1000m³）的检漏，检出最小漏率达到10^-7 Pa·m³/s。

声发射（AE）检漏技术：聆听材料的“呻吟”

声发射（Acoustic Emission, AE），又称应力波发射，是指材料在内部能量快速释放时产生瞬态弹性波的现象。从宏观的岩石断裂到微观的位错运动，都伴随着声发射。当能量足够大时，我们甚至能听到材料发出的声音。声发射检测技术，就是利用高灵敏度的电子仪器来探测、记录和分析这些信号，进而推断声源（如裂纹扩展、腐蚀等）性质的无损检测技术。

声发射检漏原理与信号表征

声发射检漏是AE技术的一个重要应用分支。其基本原理是：当承压流体（气体或液体）通过漏孔时，会在漏孔处激发连续的机械波，频率范围可从几赫兹到数十万赫兹。声发射传感器接收到这些信号，转换为电信号后由主机进行分析，从而判断泄漏的位置与大小。通常，泄漏量越大，信号幅度也越高。

泄漏产生的信号属于连续型声发射信号，在分析中通常用两个参数来表征其大小：

• ASL (Average Signal Level): 采样时间内信号电平的均值。
• RMS (Root Mean Square): 采样时间内信号电平的均方根值。

实践表明，RMS值对泄漏信号的响应比ASL更灵敏，因此专用的声发射检漏仪多采用RMS值作为判断依据。

在复杂的工业环境中，要准确识别泄漏信号，必须克服各种噪声的干扰。除了仪器电噪声和环境电磁噪声，最具挑战的是流体噪声和结构变形噪声。流体噪声的产生机制与泄漏声源一致，难以区分，通常只能通过提高检测频率来部分抑制，但这会牺牲探测距离和灵敏度。而结构变形产生的噪声，则可以通过在保压阶段进行检测来规避，因为此时结构应力趋于稳定，声发射活动会显著减少。

要从复杂的信号中准确识别出微弱的泄漏特征，对信号处理算法、检测时机选择和工程经验都有极高要求。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

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声发射检漏的技术挑战与应用

声发射检漏技术虽然强大，但也面临两大核心难题：定位与定量。

• 泄漏源定位： 这是技术上的难点和研究热点。

  • 区域定位： 通过比较多个传感器接收到的信号幅度（ASL或RMS值）大小，可以大致判断泄漏源离哪个传感器最近。此方法简单直观，但仅适用于单一泄漏源，且要求结构对声波的衰减特性相对均匀。
  • 时差定位： 利用泄漏信号到达不同传感器的微小时间差，通过算法可以计算出声源的精确位置。这在简单构件、单漏孔检测中效果较好。但对于复杂结构或多漏孔情况，声波在传播过程中的衰减和波形畸变会严重干扰时差的准确拾取，导致定位精度下降。

• 漏率确定： 声发射技术本身无法直接给出漏率的精确数值。它是一种发现和定位泄漏的有效手段，但漏率的定量通常需要借助气泡法、氦质谱法等其他方法来完成。在实际应用中，由于声发射能检测到的漏率通常较大（灵敏度约在10^-2 ~ 10^-3 Pa·m³/s），一旦发现，往往直接进行封堵处理，而不再进行精确的定量。

尽管存在挑战，声发射检漏的优势依然突出：

1. 远距离、非接触：可对大范围区域进行监测。
2. 长期、连续、整体检测：能够对运行中的设备进行在线监控。
3. 动态监测：能捕捉到泄漏的发生和发展过程。

这些特点使其在天然气管道、石化管线、阀门、压力容器、船舶蒸汽发生器等大型、关键设施的完整性监控中得到了广泛应用。国内外已开发出功能强大的多通道声发射检漏系统，例如美国PAC公司为韩国大型LNG船配备的240通道系统，展现了该技术在高端装备领域的巨大潜力。国内在飞机副油箱检漏等领域也取得了突破性进展，其效率和灵敏度均超越了传统方法。