一、核心硬件構(gòu)成
聲學(xué)成像儀主要由麥克風(fēng)陣列、信號(hào)處理模塊、成像顯示屏、超聲波濾波單元四部分組成。設(shè)備前端排布數(shù)十個(gè)高精度 MEMS 麥克風(fēng),按固定陣列規(guī)則排列,同步采集空間內(nèi)超聲波信號(hào);后端硬件完成信號(hào)放大、降噪、時(shí)差運(yùn)算,最終將聲源位置疊加在可見光畫面上形成聲學(xué)熱力圖。
二、超聲波采集原理
氣體泄漏、高壓電氣局部放電、閥門摩擦、空壓機(jī)異響等故障,都會(huì)產(chǎn)生20kHz 以上超聲波。這類高頻聲波穿透力強(qiáng)、定向性好,不易被環(huán)境低頻噪音掩蓋。
設(shè)備麥克風(fēng)陣列只保留設(shè)定頻段超聲波,過濾車間風(fēng)機(jī)、人員交談、設(shè)備低頻震動(dòng)等干擾音頻,只采集故障特征聲波。
三、波束成形定位原理(核心測(cè)量邏輯)
同一束超聲波到達(dá)陣列上不同麥克風(fēng)存在微小時(shí)間差,儀器通過算法計(jì)算聲波抵達(dá)各個(gè)麥頭的時(shí)差,反向推算出聲源精確空間坐標(biāo),該技術(shù)稱為波束成形:
聲波發(fā)射后,距離聲源近的麥克風(fēng)先接收信號(hào),遠(yuǎn)端麥克風(fēng)接收延遲;
主控芯片對(duì)比全部麥頭信號(hào)的相位、時(shí)間差值;
對(duì)不同角度聲波做信號(hào)疊加增強(qiáng),目標(biāo)聲源信號(hào)放大,無關(guān)雜波信號(hào)抑制;
計(jì)算出聲源相對(duì)設(shè)備鏡頭的方位、距離,鎖定故障點(diǎn)位。
四、聲像融合成像原理
設(shè)備內(nèi)置可見光攝像頭,同步拍攝現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景畫面;
將波束成形算出的聲源強(qiáng)度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為彩色熱力圖譜:顏色越暖(紅、黃)代表超聲波聲壓越強(qiáng),故障越嚴(yán)重;冷色藍(lán)、綠代表微弱噪音;
實(shí)時(shí)把聲學(xué)熱力圖疊加在可見光畫面,直觀看到實(shí)景中哪一處存在泄漏、局放異響,實(shí)現(xiàn) “所見即所測(cè)”。
五、聲壓量化測(cè)量原理
儀器內(nèi)置聲壓換算算法,可將采集到的超聲波信號(hào)換算為量化數(shù)值(dBμV/m 或超聲 dB):
麥克風(fēng)接收聲波轉(zhuǎn)化為電信號(hào);
系統(tǒng)根據(jù)距離、環(huán)境溫度、空氣濕度修正聲壓衰減誤差;
屏幕實(shí)時(shí)顯示聲源超聲分貝值,用于判斷故障輕重、對(duì)比檢修前后變化。
六、兩類典型檢測(cè)應(yīng)用的原理差異
氣體泄漏檢測(cè)
壓縮空氣、天然氣、冷媒從微小縫隙高速噴射,氣流摩擦產(chǎn)生持續(xù)超聲波。聲學(xué)成像儀捕捉噴射超聲,定位漏點(diǎn),依靠聲壓數(shù)值判斷漏量大小。
電氣局部放電檢測(cè)
高壓開關(guān)柜、絕緣子、電纜接頭發(fā)生電暈、沿面放電時(shí),空氣電離激發(fā)脈沖式超聲波,陣列捕捉脈沖超聲信號(hào),識(shí)別放電位置,規(guī)避絕緣擊穿風(fēng)險(xiǎn)。
七、環(huán)境干擾修正原理
空氣溫度、濕度、檢測(cè)距離會(huì)改變超聲波傳播速度,造成定位偏移。設(shè)備內(nèi)置補(bǔ)償模型,輸入檢測(cè)距離后自動(dòng)修正時(shí)差計(jì)算參數(shù),抵消空氣介質(zhì)帶來的測(cè)量偏差,保證定位精準(zhǔn)。
八、整體工作完整流程
聲源產(chǎn)生超聲波 → 麥克風(fēng)陣列同步采集聲波信號(hào) → 濾波剔除低頻噪音 → 波束成形算法計(jì)算聲源坐標(biāo) → 聲壓量化換算數(shù)值 → 可見光畫面和聲學(xué)圖譜疊加 → 屏幕實(shí)時(shí)輸出成像畫面與測(cè)量數(shù)據(jù)。
九、原理相關(guān)基礎(chǔ)注意事項(xiàng)
超聲波隨距離增加快速衰減,遠(yuǎn)距離檢測(cè)會(huì)出現(xiàn)聲壓數(shù)值偏低、成像模糊;
多重聲源疊加時(shí),算法會(huì)優(yōu)先高亮聲壓更強(qiáng)的主故障點(diǎn);
環(huán)境大量高頻噪音會(huì)輕微干擾定位,需調(diào)高設(shè)備濾波閾值分離故障信號(hào)。