Research on Acoustic Localization Technology for PIG*

LIU Mengran，ZHANG Guojun*，JIAN Zeming，LIU Hong，ZHANG Wendong

(1.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2.Key Laboratory of Science and Technology on Electronic Test and Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China)

Research on Acoustic Localization Technology for PIG*

LIU Mengran1，2，ZHANG Guojun1，2*，JIAN Zeming1，2，LIU Hong1，2，ZHANG Wendong1，2

(1.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China; 2.Key Laboratory of Science and Technology on Electronic Test and Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China)

According to the current demands of the pipeline testing systems，the ground marker technology based on acoustics principle has become the research hotspot and difficulty currently.A new type of bionic acoustic vector sensor based on MEMS technology with high sensitivity and high SNR has been innovatively used for ground marker research.Firstly，the sounding mechanism and signal characteristic are introduced when pipeline inspection device works in pipeline.Because the absorption coefficient of sound wave is directly proportional to the square of the frequency，in the low frequency，damping is small and its spread is more complete.For single sensor，the simulation result has showed that the MEMS acoustic vector sensor has good directional ability.Finally，the experiment has been carried on at scene and the table of directional angle has been draw.And the feasibility of the MEMS acoustic vector sensor applied to the pipeline ground marker is verified.

PIG;MEMS sensor;acoustic signal;acoustic attenuation;beam forming

管道作为一种封闭性的运输工具，逐步成为当今社会5大运输形式之一，呈现迅猛发展的趋势。伴随着管道的大范围普及和使用时间的延长，管道老化、腐蚀与人为破坏及其他因素的影响，管道运输泄漏、爆炸等事故频繁出现，严重威胁着环境与人身安全。所以对管道的检测显得尤为重要［1－4］。

目前，在所有检测方式中，利用管道内检测器(PIG)进行的管道巡检方式是世界上应用最广泛又最有效的管道检测方法。然而，由于其自身携带的里程轮本身结构的误差及不可避免的磨损导致直径的变化等因素的影响，使得定位精度下降。针对这一问题，管道巡检装置的地面标记技术应运而生。随着管道巡检装置的广泛使用，管道地面标记系统的研究也越来越受到各研究单位及厂家的重视。目前已经研制出涡流法、磁学方法和声学方法等不同原理的地面标记器。

使用声学原理现已成为许多单位的共识和技术发展的趋势。所以，寻找一种高灵敏度的声传感器，对声信号在土壤中传播进行分析，对于管道检测系统的继续深入研究具有非常重要的意义。本文提出一种新型MEMS声传感器应用于管道内检测器的地面标记中。MEMS声传感器具有:稳定性好、矢量性、高灵敏度、良好的“8”字型指向性等优点，单个传感器可以实现对目标声源的定向［5－8］。

1 基本原理

1.1管道巡检装置在管道中的发声机理

管道巡检装置置于管道内部，自身或是管道内部压力使其前进。管道巡检装置在管道中运行产生的声音信号分为两部分:(1)巡检装置的内部设备中的皮碗与管道的摩擦声信号，(2)管道巡检装置与管道接缝的碰撞声信号(如图1)。

图1 管道巡检装置在管道中的发声示意图

当管道巡检装置在管道内运行时，皮碗与管道摩擦产生的声音是一种由摩擦噪声引起的同频率的振动现象。这个摩擦振动产生的频率不随其速度的改变而改变，该频率只是在固定频率附近存在的小范围的波动，这是一种自激振动。对于自激振动而言，它一般存在于某个系统的固有频率，而这个固有频率与运动物体的法向载荷有关。通过实验得出这个固有频率集中在80 Hz～400 Hz之间［9－11］。

对于成百上千米的管道而言，它是由各分段的管道单元焊接而成。当巡检装置在管道中运行时，一定会经过这些突起的焊缝。巡检装置运行时会在经过焊缝的时候形成一个明显的冲击振动。现场实验结果显示，该冲击振动产生的声信号幅度较摩擦产生的振动幅度大，频率相对较低，主要集中在几十赫兹之间。

通过实地试验验证，得出巡检装置在管道中运行产生的声信号主要集中在几十赫兹到400 Hz之间，有其固有的特征，这项验证实验在进行模拟声源信号实验、管道现场测试时对声信号进行特征提取及模式识别，有着重要的作用。

1.2 土壤中声信号的传播原理

土壤介质是一种复杂的三相合一介质。从介质性质又可分为流体介质(气相、液相)与固体介质(土颗粒)。对于这种双向介质而言，其声波的传播理论较为复杂［12］。

对于土壤这种孔隙介质而言，声波的传播理论尚未完全建立。但是，Biot提出的流体饱和孔隙固体的弹性波传播理论，从理论推导出在双相介质中波的传播方程，并预言了存在的3种体波:快纵波、慢纵波及体波［13－16］。根据这种理论的推导得知，快纵波具有相对较小的频散特性，而慢纵波的衰减相当快。在此基础上，Sun等人推导出了孔隙介质中3种体波的数学式［17］。

快纵波与慢纵波在土壤介质中的传播机制如图2所示［18］。慢纵波主要存在于流体介质中，受介质粘滞力影响较大，耗散的能量较多，而且，由于流体介质的可压缩性阻碍了它的顺利传播，当频率增大时，可压缩性减小，在一定程度上加快其传播速度。而快纵波主要传播介质为土壤颗粒，受粘滞力影响较小，所以，快纵波的衰减比慢纵波的衰减低数个数量级。不论快纵波还是慢纵波，声波频率增加都会引起衰减的增大。图中，快纵波的相速度趋于常量而衰减系数小，对于慢纵波而言，它的相速度随着频率的增加而增加，且明显小于快纵波的速度，衰减系数也较大。

图2 快纵波与慢纵波在土壤介质中的传播机制

基于上述理论分析，本文的主要研究主要基于快纵波。由于快纵波的衰减主要是由介质的吸收衰减引起，而吸收系数与频率的平方成正比［19］。因此，声波中的高频成分会产生强烈的消耗，在低频时吸收系数小，声波的传播更完整，衰减小。所以说土壤介质中声信号的应用主要集中在低频部分。在之前讨论得知管道巡检装置在管道中运行时声信号的频率集中在几十赫兹到400 Hz之间，集中在较低频的范围内，声波衰减相对较少，因此，本文论述的基于声信号的管道巡检装置的地面标记在理论上是有效可行的。

2 MEMS声矢量传感器

MEMS声矢量传感器是基于压阻原理、仿生原理及MEMS原理的一种新型的用于测量微弱声信号的传感器，声矢量传感器如图3所示。

图3MEMS声矢量传感器

基于压阻原理能够测量直至零频的声信号，这就为测量微弱低频声信号提供了强有力的科学依据。MEMS声矢量传感器的设计就是利用了压阻原理的这一优点。其微结构模型如图4所示。传感器敏感结构采用四悬臂梁+纤毛(刚硬柱体)支撑块的结构，纤毛集成于中心体上。压敏电阻对称分布于4个悬臂梁的两端，如图5所示。X、Y路的4个压敏电阻分别构成一个惠斯通电桥，如图6所示。当声波引起纤毛发生偏斜，压敏电阻阻值发生变化，从而使惠斯通电桥的输出发生变化，根据惠斯通电桥的输出变化获得声场信息。

图4 声传感器微结构模型示意图

图5 压敏电阻的分布连接示意图

图6 电阻构成的惠斯通电桥图

MEMS声矢量传感器在水介质中的应用已经取得了突破性的进展，其工作原理与制作方法由张文栋等人在相关文献中已做了详细的阐述，应用领域也从水中扩展到陆地。本文创新的将MEMS声矢量传感器应用于管道内检测器地面标记的研究中，其主要应用于土壤环境。

3 仿真分析

目标方位的估计是声信号处理中最为关键的步骤。对于单矢量传感器，我们选用波束形成法。波束形成算法是对传感器的输出信号进行加权、延时、求和等处理进而形成空间指向性，谱峰的最大值即是目标方位角。

虽然对于无干扰信号波束形成法有很好的定向能力，但是对于实际应用中采集到的信号都会掺杂着各种噪声信号的干扰。假定噪声是各项同性噪声场。仿真在输入不同信噪比的条件下使用波束形成法对角度估计进行仿真。仿真选取信号为单频正弦信号，噪声为零均值的高斯噪声，信号频率选为100 Hz，信噪比取－20 dB(模拟管道声源定向实验时，信号的信噪比大于－20 dB)，入射角度选为70°与260°。仿真结果见表1，图7所示为波束形成计算结果图。

表1 噪声背景下波束形成法角度分析

图7 波束形成法仿真结果图(入射角度分别为70°与260°)

仿真结果表明在噪声存在的情况下，波束形成法仍然可以有效地实现对声源的定位。接下来，我们将讨论信噪比对方位测量精度的影响。仿真条件为:保持目标方位不变，仍然采用单频信号，噪声采用零均值的高斯白噪声。改变输入信噪比，输入信噪比从－10 dB～30 dB变化。实验结果见表2所示。

仿真结果表明:(1)利用波束形成法的总体精度在4°以内，但是，信噪比越低，其结果偏差越大。这可能是因为低信噪比的情况下噪声大于信号，而噪声的随机性又决定了每次测量结果的不一致性; (2)对于一定的单频信号，在信噪比大于10之后，定向的精度与离散度会得到一定的保证;(3)波束形成法可以有效的消除干扰噪声。

表2 不同信噪比下定向结果

4 实验验证

对MEMS声矢量传感器在土壤中的定向进行验证。实验地点选为山西太原，实验场地平坦、开阔。实验时，传感器杆身垂直于地表向下，敏感头紧实埋于土壤中(如图8所示)，确保传感器与土壤耦合良好。

图8 传感器掩埋方式

实验采用钢制锤头敲击地面的方式模拟声源。通过对敲击产生的信号进行运用NI采集卡进行采集、分析，得出频谱范围:80 Hz～280 Hz，包含于巡检装置在管道中的摩擦信号的频谱范围之内，在一定程度上可以对实际声信号进行模拟。

实验时，如图9所示，以声传感器为圆心，在距离声传感器半径为r的半圆上以10°为等分角，每个等分点代表一个度数。MEMS矢量声传感器放置时，x方向与图6中的0°重合，y方向与90°重合。

选择晴天土壤干燥时进行。实验时，用锤头均匀敲击等分点处地面，传感器将采集到的声信号转换为电信号，通过数据采集卡对其进行采集，进而在MATLAB软件中处理。实验数据采集卡采用NI公司的PXTe－1071，接线盒为BNC2110。实验采样率设置为10 kHz，共采集10 s。当半径r=3.5 m时，敲击40°等分点时，传感器采集到的信号如图10(a)所示。通过小波去噪对原始信号进行去噪，去噪后的信号如图10(b)所示。

图9 实验方法实验图

图10MEMS矢量声传感器采集到的信号

在角度为0～180°之间，以3 m为半径，以圆心角为10°均等分。每个标记点敲击相同5次，其次，对5次的实验数据进行分析，最终取平均角度，得到的方位估计结果见表3。

表3 单MEMS声矢量传感器定向角度

在角度为0～180°时，传感器可以较好的实现对声信号定位。所有角度的测量平均误差几乎都小于5°。在0°与180°的误差较大的原因可能是由于敏感柱体和十字梁封装工艺的限制造成的。通过上述分析可知，在土壤干燥的情况下，MEMS声矢量传感器可以有效的实现对土壤介质中声信号的方位估计。

5 结论

管道内检测器在管道中运行时产生的声信号主要集中在几十赫兹到400 Hz之间，集中在低频频段，由于声波在土壤中的衰减与声波的频率成正比，低频信号衰减相对减少，这为声传感器运用于管道内检测器地面标记的研究提供了一定的理论基础。通过实验，模拟管道发声，利用波束形成法进行声源方位估计，最后得出，在一定的条件下，MEMS声矢量传感器可以有效的实现对土壤介质中声信号的方位估计。MEMS声矢量传感器应用于管道检测系统的定位研究中得到了初步的验证。为了更好的发挥出其高灵敏度、指向性好等特点，还需进一步对其结构与使用方式进行研究，使其更好的与土壤介质耦合，达到更精确的定向。

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刘梦然(1991－)，女，湖北省随州市人，中北大学硕士研究生，主要从事微纳器件研究及传感器相关信号处理，liumengran1991@163.com;

张国军(1977－)，男，副教授，2001年7月毕业于华北工学院自动控制系并留校任教，同年9月被派往清华大学微电子系进修微电子专业。2003年考取中北大学精密仪器及机械专业研究生，2004.7～2006.7在中国科学院声学研究所做有关穿孔板结构非线性声学方面的研究工作，2012年，在西北工业大学攻读博士;

简泽明(1989－)，男，湖北荆州人，硕士研究生，主要从事微纳器件研究及传感器结构设计，精密仪器及机械专业，jianzemingx@163.com。

管道内检测器声定位技术研究*

刘梦然1，2，张国军1，2*，简泽明1，2，刘宏1，2，张文栋1，2
(1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051;2.中北大学电子测试技术重点实验室，太原030051)

根据当前对管道检测系统的需求，基于声学原理的管道地面标记技术已成为现今研究的热点与难点。创新地提出将一种高灵敏度、高信噪比的MEMS仿生声矢量传感器应用于管道内检测器的地面标记中。首先介绍了管道内检测器在管道中的发声机理和声音信号特征。由于声波的吸收系数与频率的平方成正比，所以在低频时，声波衰减小，传播更完整。针对单个声矢量传感器，经过仿真分析，单声矢量传感器具有良好的定向能力。最后，进行现场实验，绘制出定向角度表，验证了MEMS声矢量传感器应用于管道内检测器地面标记的可行性。

管道内检测器;MEMS传感器;声信号;声衰减;波束形成

TB212.9

A

1004－1699(2014)04－0500－05

2014－01－01修改日期:2014－03－31

C:2575D

10.3969/j.issn.1004－1699.2014.04.015

项目来源:国家“863”计划项目(2011AA040404);国家自然科学基金项目(61127008);国家自然科学基金项目(51205374);山西省青年科技研究基金项目(2012021013－3)