摘要：提出采用声发射技术检测阀门的泄漏，介绍了声发射检测原理、声发射传感器的制作方式以及信号处理方式。试验和实际检测证明，采用声发射技术检测阀门的泄漏是可行的，检测简便、快捷、准确，扩大了声发射技术的应用范围，有效地监控了阀门的泄漏状况。
阀门在各行各业中使用非常广泛，特别在石油化工和发电厂，其使用比重非常大。阀门的严密性是一个非常重要的性能指标，在实际使用中，阀门泄漏故障经常发生，而大部分泄漏是看不到的，往往造成一定的经济损失，甚至引发事故。目前尚无一种简单、准确、快捷的科学方法检测阀门泄漏。以下利用声发射技术，通过理论研究和试验，说明利用声发射技术检测阀门泄漏是一种可行有效的新方法。
1. 声发射检测阀门泄漏原理
1.1 声发射技术
材料或构件受外力或内力作用产生变形或断裂时，以弹性波形式释放出应变能的现象称声发射（也称应力波发射，简称 AE）。利用仪器检测、分析和利用声发射信号推断声发射源的技术称声发射技术。声发射技术在各行各业中应用极为广泛，特别是在材料研究、压力容器评价、飞机构件的强度监视和测定燃料燃速等方面的研究与应用中已取得了明显的效果。声发射检测是一种动态无损检测，应用领域非常广泛，应用范围也在不断扩大。
1.2 检测原理
当阀门关闭时，若有泄漏，其主要特征是在泄漏处形成多相湍射流，该射流不但使流体发生紊乱，而且与泄漏孔壁相互作用，在孔壁上产生高频应力波，并在阀体中传播。此应力波并非严格定义上的声发射，因为阀体只是波导，本身并不释放能量，但是，此应力波的特点和声发射相似，所以可认为这也是声发射，称之为被动声发射。根据质点的偏振方向（即振动方向），声发射可分为两大类，即纵波与横波。纵波质点振动方向平行于传播方向，横波质点振动方向垂直于传播方向，横波一般比纵波传播得慢。若固体有界时，由于边界的限制，理论证明在固体的自由界面上存在表面波，是一种表面声扰动，大部分能量集中于表面下大约一个波长的厚度，表面波速度比横波慢，不同于纵波和横波，其质点的运动是一种椭圆偏振，是相位差为 90°的纵横振动部分合成的结果。阀门泄漏时，流体压力喷射而诱发应力波并在阀体中传播。应力波的纵波、横波和表面波引起的阀体振动包括纵振动、横振动和圆环振动。试验表明，该应力波的频谱很宽，既包括声频成分，也包括超声频成分，而超声频最强。用声发射传感器接触阀体外壁，接收泄漏产生的在阀体中传播的弹性波，转换成电信号，经信号放大处理后显示和监听，从而达到检测阀门泄漏的目的。
2. 声发射传感器的制作
采用谐振式高灵敏度压电传感器，其幅频特性函数 A(f) 为
其中，fn 为固有谐振频率，ξ 为传感器阻尼比，S 为灵敏度。传感器幅频特性如图 1 所示。
图 1 传感器幅频特性
为了提高传感器的灵敏度及削减噪声，传感器工作点取其固有谐振频率 fn 点。声发射传感器主要由壳体、波导杆、压电元件、阻尼剂、连接导线及高频插座组成（见图 2）。波导杆的作用是在检测高温阀泄漏时，进行降温并把泄漏产生的声发射信号有效地传到压电元件上。压电元件采用高灵敏度锆钛酸铅，将压电元件的负极面用导电胶粘在底座上，正极面焊出一根细的引线与高频插座的芯线连接，外壳接地，构成单端谐振式声发射传感器。
图 2 单端调谐式传感器（1波导杆 2下盖 3压电晶体 4外壳 5阻尼剂 6导线 7上盖 8高频插头）
3. 信号处理
图 3 检测系统框图
检测系统如图 3 所示，传感器输出电压经放大、滤波、A/D 转换和数值显示等常规处理，显示数值为泄漏声发射信号的幅值，以表示阀门泄漏量的相对大小。另一路将泄漏的超声波频率信号用外差调频的方法转换成可以听到的声频，经功率放大后，使检测人员非常容易地从大功率耳机中听到声发射传感器接收到的阀门泄漏信号（用大功率耳机可以隔绝工业生产环境常有的强大噪声）。在研究及应用中发现有下列几个需特别注意的问题：
- 传感器的输出阻抗特别大，放大器需具有较高的输入阻抗。
- 传感器信号电压的变化范围大，一般由微伏到接近伏数量级，要求放大器具有足够的放大能力，具有抗电冲击的保护能力和阻塞现象的恢复能力，并具有较大的输出动态范围。
- 滤波器采用窄带通滤波器，中心频率与传感器固有谐振频率相同，以便更好地排除干扰噪声，这在背景噪声严重的实际检测中特别重要。
4. 试验与实际检测
通过对多种阀门在多种工况下进行阀门泄漏试验得出，泄漏产生的声发射信号为连续型的，所激发的应力波信号频率范围非常宽，既有声频，又有超声频，并且泄漏信号频带随介质不同、压力大小、阀门类型及泄漏大小而变化，泄漏产生的信号中超声频段最强，频谱都具有很陡的尖峰，而且在阀门泄漏的各种工况下，40kHz 频段有很强的泄漏声发射信号，而在该频段的工业噪声相对较小，所以 40kHz 是检测阀门泄漏的最佳频率，将其作为检测阀门泄漏的工作频率，即声发射传感器的固有调谐频率和带通滤波器的中心频率。在实际检测中通过仪表的显示值很容易找出阀门有无泄漏及泄漏的相对大小，并且泄漏时可从耳机中听到嘶撕的声音，检测方便准确。但在个别情况下，仪表显示阀门有泄漏，但后发现阀门并无泄漏，通过对检测现场分析表明，现场有很强的频率为 40kHz 的干扰噪声。这时，通过理论研究与实际检测分析表明，在有较强噪声的情况下，用阀上阀下差值法也可方便准确地检测出阀门泄漏。阀上阀下指阀门的上流和下流，如图 4 所示，差值法指检测阀上和阀下信号大小的差值。当阀门泄漏时，阀上阀下产生声发射信号的大小是不同的。泄漏时阀下的声发射信号有三种声源：
图 4 阀门示意图
- 泄漏处形成的射流与泄漏孔壁相互作用，在孔壁上产生声发射信号由阀中传到阀下。
- 液体（或气体）高速流出泄漏孔，冲击到阀下内壁，在阀下产生声发射信号。
- 液体（或气体）从阀上到阀下是层流到湍流的过程，由此在阀下产生一系列波长的声音，即所谓的白噪声，白噪声中含有超声频率。
以上第一种声源产生在阀的中间位置，在阀上阀下测得的声发射信号幅值基本相等，而第二和第三种声源在阀下，泄漏时阀下的声发射信号远远大于阀上。所以在较大的背景噪声情况下检测阀门泄漏时，可根据阀上阀下声发射信号差值的大小判断阀门有无泄漏和泄漏的相对大小。