浅析麦克风阵列的氢气泄漏检测与定位研究

浅析麦克风阵列的氢气泄漏检测与定位研究

冯其栋  ,马,蕾

杭州杭燃工程科技有限公司, 浙江 杭州 310003

摘要: 现阶段，在氢燃料电池汽车不断发展的背景下，氢气储运量随之提高，一旦发生不良泄露现象，将会造成燃烧爆炸，对人们自身安全造成巨大的危险。基于此，应当精准的定位氢气泄漏点。大多数人员借助声波法有效的检测和定位气体管道泄漏情况。而麦克风阵列技术因为优势极高，可以根据相关算法定位声源信号，因此得到了人们的广泛关注和青睐。在本篇文章中，依照气体管道泄漏的检测和定位原理，提出了麦克风阵列的气体管道泄漏检测和定位方式，以此为精准定位提供良好的依据。

关键词：麦克风阵列；氢气泄漏；检测定位探究

    对于氢气来讲，氢气储存处于氢气生产、运输以及最后使用的各个方面。从能源角度进行分析，氢燃料电池电测主要是以高压储氢为主。在储存氢气过程中，管道的组成结构为多个接头。当管路连接位置受损或者被腐蚀以后，将会增加高压氢气泄漏现象出现概率，从而导致氢气扩散自燃。氢气瓶内的高压产生的氢气射流在尚未明确识别点火源的情况下，存在着扩散自燃烧现象，导致火灾和爆炸隐患出现，因此定位和检测氢气泄漏能够确保氢燃料汽车使用安全性。在本篇文章中重点论述了氢气泄漏的规律以及定位氢气泄漏的位置，这对于检测氢气有着极高的作用，能够确保人们自身安全。
1、气体泄漏检测技术探究现状
    当前阶段，加强管道安全性的重视程度极为重要，大部分人员专门探究了气体管道的泄漏情况。第一，在管道气体泄漏检测中对于声波法的应用。通过探究泄漏声波的传播规律和生源特征，分析信号内是否存在特定的参数，以此判断有没有泄漏现象。相关人员专门开展了气体泄漏传播特征和声源特征影响因素的研究工作。根据气体从管道中流动的影响，提出了泄漏声波幅值衰减的理论模型。当探索泄漏露声源特性影响因素过程中，部分学者研究了不同孔型、不同流型工况、不同泄漏孔型对泄漏声源的影响。应用物理场耦合的方式研究了管道泄漏声波的视频信号获取压力扰动。伴随着多项因素变化的基本规律，采取有限元方式计算泄漏率方程的拟合参数。除了对泄露声波传播机里进一步探究之外，也必须明确认识到声源信号的特征。传感器从管道内侧和外侧的安装位置不同，泄漏检测技术包含了外部检测以及内部检测，大多数泄漏检测研究的都是外部检测，外部检测是按照管道沿线或者外部收集的数据。加以处理，获取有关的信息优势，呈现出了非破坏性的特征。内部检测则可以有效捕捉较小的渗漏点。根据该项特征，有关人员专门构建了实验平台，对环境中泄漏的声信号有效搜集，探究了人工神经网络从泄漏智能判断中的应用。经过实验探究表明，发生泄漏情况以后，信号的时域平均振幅远远超过了无泄漏情况下的平均振幅，伴随着探测器和泄漏点的距离增加而随之减少。基于各项技术的创新和改进。气体泄漏检测领域也引进了各种各样新型的技术，各项泄漏检测方式呈现出了多元化的特征。利用这些新型技术能够高精度的了解到泄漏状态。
    第二，基于声学的气体泄漏定位技术研究情况。在气体泄漏监测过程中，除了分析气体是否存在着泄漏情况之外，还必须精准的定位气体泄漏情况。相关人员专门开展了泄漏定位技术的研究工作，结合声波的传播模型，利用不同传感器测量的声信号振幅，确定泄漏位置，提出衰减模型的泄漏定位方式。应用该种方式检测和定位气体管道泄漏，将阻力效应应用到声波基本方程中，得到声波在阻力接触中的传播方程，确定阻尼效。应考虑到传感器安装空间受到限制的状态下，从管道两端安装声压传感器。计算了泄漏点位置以后，再次提出贝叶斯网络模型的输气管道泄漏孔口直径概率模拟可以分析和评估泄漏口直径。
2、探究气体泄漏机理
2.1气体泄漏流场的物理模型
    在管道泄漏过程中，压力差导致管道发生气体泄漏，使气体产生流动现象。流动的方式表现为从高压部分流向了低压部分，该项过程还伴随着压力波动，并且使气体产生了不稳定的流动，形成涡流状态。在泄漏过程中，流场和声场相互影响，形成声波。为了进一步探究气体管道泄漏的声源特征，就需要对气体管道泄漏时流场产生机理有效分析，以流场为基础研究生场。比如连续性方程。连续性方程是质量守恒定律从流体力学中的具体应用。在管道泄漏过程中，气体属于管道内所有空间中连续存在，不会发生间断点，符合连续性的要求。
2.2基于声波法的气体管道泄漏检测理论
    第一，理想介质中的声场波动方程。气体管道泄漏有着一定的复杂性和繁琐性，气体分子进行无规则的运动，流速、压力都有了明显改变，复杂的气体状态导致方程难以表达出泄漏过程。如果管道气体泄漏是理想流体的微小振幅，声波波动必须满足产生的声能转化成为其他能量的基本需求。第二，声源类型气体喷流产生的声音是因为气流不具备稳定性造成的，气体喷流极为复杂，普遍受到多方面因素的影响，本身的组成部分分为单极子、偶极子和四极子。指的是球面上各项点沿半径方向振动的生源中，部分球的半径和波长的比例值小于1/6的脉动球源，通过单级子生源的自身叠加组合可以形成其他偶极子和四级子。第三，气体泄漏声波产生原理，因为长时间使用气体管道或者受到硬物碰撞等外力作用，有可能存在着管道裂缝现象，从而引起气体管道的泄漏。管道泄漏口处释放高压气体喷射到空气中。气体状态的平衡性被打破，在泄漏口处产生了不同大小和形状的涡流，泄漏口处的涡流导致声波产生。基于压力原理作用下，泄漏口附近两侧的气体从高压向低压流动，泄漏口两侧的压力也随之减少，最终造成了声波在管道中的传播。

3、管道泄漏声源定位分析研究
    在气体管道存在泄漏现象以后，精准的定位泄漏点的位置是特别重要的。文章中借助麦克风阵列方式达到声源定位的目的。
3.1麦克风阵列的空间结构模型
    根据麦克风传感器阵列实现声源定位，主要是利用麦克风传感器阵列把获取的声源信息采取定位算法加以分离和估计，从而完成定位，将多个麦克风依照拓扑结构布置成麦克风阵列，向麦克风收集气体泄漏的声源信号。根据不同麦克风之间的相位差了解到管道泄漏的位置。第一，进场模型和远场模型。在信号传输过程中，传输距离的控制是非常重要的，决定了声源信号传播情况。因此应当构建传输距离近场和远场模型。进场模型指的是麦克风阵列和声源信号的距离特别近，发射的声源信号表现为球面波的形式，对每个麦克风接受的声波信号幅值有着较大程度的差别。远场模型则是麦克风阵列和声源信号距离十分远，把声源信号当成平面波的形式，接收到的信号差异性非常小，在远场模型中往往忽略该项差异性。第二，三维。三维阵列指的是把多个麦克风阵列依照不同形式排列成三维空间结构，三维阵列可以定位三维空间中的声源信号，定位精准度特别高，不过也有着结构复杂性的缺陷。
3.2基于麦克风阵列的声源定位算法
    高分辨率空间谱估计的声源定位算法。该项方式的操作原理是根据放置的麦克风阵列收集传播的声源信号，有效的处理接收的阵列信号，计算声源信号的某些空间特征。高分辨率空间谱的生源定位算法有着定位精准度高的特征，适合应用到导航雷达的需要高精度的环节中。在具体应用过程中也面临着背景噪音，此种定位算法对噪声的存在极为敏感，应用到具体情况下也面临在相应的难度，而且在声波信号是远场平面波信号中适合应用声源定位算法不适合应用到近模型研究中。
4、结语：
    文章中主要对泄漏声波信号定位器数以及氢气泄漏检测系统的应用情况展开了论述，将不同管道压力和不同泄漏孔径的泄漏声波信号整合到一起，在高效率处理采集数据的基础上体现出了该项方式的有效性。

参考文献：

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