供水管道声学采集探头的模态分析

冼志濠 刘诚 赖源平 李昌

摘要：为了提升供水管道声音信号采集的可靠性，基于模态分析技术对声学采集探头进行研究。首先，利用三轴加速度传感器采集供水管道的振动信号，以评估声学采集探头的振动激励情况；然后，利用SolidWorks和ANSYS Workbench软件建立声学采集探头的动力学模型，获取其振动模态；最后，根据声学采集探头的振动激励情况和振动模态分析结果，对其结构进行优化，通过增加声学采集探头内腔体底部的厚度，提高其固有频率，避免声学采集探头与供水管道共振，提升声音信号采集的可靠性。

关键词：声学采集探头；模态分析；振动激励；振动模态；供水管道

中图分类号：TH128          文献标志码：A          文章编号：1674-2605（2024）03-0002-05

DOI：10.3969/j.issn.1674-2605.2024.03.002

Modal Analysis of Acoustic Acquisition Probe for Water Supply Pipeline

Abstract： In order to improve the reliability of sound signal acquisition in water supply pipelines， research was conducted on acoustic acquisition probes based on modal analysis technology. Firstly， the vibration signal of the water supply pipeline is collected using a three-axis accelerometer to evaluate the vibration excitation of the acoustic acquisition probe; Then， using SolidWorks and ANSYS Workbench software， establish a dynamic model of the acoustic acquisition probe and obtain its vibration mode; Finally， based on the vibration excitation and modal analysis results of the acoustic acquisition probe， its structure is optimized by increasing the bottom thickness of the cavity inside the acoustic acquisition probe， improving its natural frequency， avoiding resonance between the acoustic acquisition probe and the water supply pipeline， and ensuring the reliability of sound signal acquisition.

Keywords： acoustic acquisition probe; modal analysis; vibration excitation; vibration mode; water supply pipeline

0  引言

水厂通过供水管网将自来水输送到城市的每个角落。供水管道由于长期使用可能出现各种故障，需要更新和改造。在供水管道更新和改造过程中，为了缩小停水范围，需要在供水管网内安装控制阀门[1]，且要求控制阀门能迅速关闭，可靠地截断水流[2]。然而控制阀门因长时间使用，不可避免地会出现磨损等故障，导致无法完全开启或闭合，出现漏水等问题，

影响供水管网的正常运行和日常维护[3]。因此，需要对控制阀门的开闭状态进行检测[4]，避免控制阀门开闭不完全而造成潜在的安全隐患或经济损失[5]。在控制阀门开闭的过程中，水流量流速的变化使供水管道内水流声也出现相应的变化，因此通过供水管道声音信号的变化可判断阀门的开闭状态。供水管网环境复杂，通常需要利用相应的声学采集探头来采集供水管道的声音信号，并从物理上对环境噪声进行有效隔离。

声学采集探头需要紧密地贴合在供水管道上，采集声音信号时会受到供水管道振动的影响。若声学采集探头与供水管道发生共振，会对声音信号的采集产生严重干扰[6]，导致控制阀门开闭状态检测失败。为此，本文基于模态分析技术对声学采集探头进行研究。首先，利用三轴加速度传感器采集供水管道的振动信号，以确定振动激励的频率范围；然后，基于SolidWorks软件建立声学采集探头的三维模型，并利用ANSYS Workbench软件对声学采集探头的内腔体进行模态分析，以确定其固有频率；最后，通过优化声学采集探头内腔体底部的厚度，以提高声学采集探头的固有频率，避免与供水管道产生共振，提升声音信号采集的可靠性。

1  结构动力学概述

1.1  振动测量原理

振动的速度、位移和加速度之间存在如下关系：

因此，仅需要确定速度、位移或加速度中的1个信号，通过计算，便可以得到另外2个信号。

假设测得振动加速度为谐波信号，其中，A为振幅，ω为频率，t为时间，则将该谐波信号代入公式（1）和（2），即可求出速度和位移为

式中：为初始速度，为初始位移。

因此，当确定了振动加速度，即可通过公式（5）和（6）计算得到速度和位移。

振动加速度传感器具有检测频率范围广、体积小、便捷易用等特点。为了全面获取供水管道的振动信息，使采集的声音信号尽可能地覆盖振动频率范围，本文选择三轴加速传感器来采集控制阀门的振动数据[7]。

1.2  模态分析原理

模态分析是一种研究结构动力特性的方法，可得到结构的固有频率、振型和阻尼比[8]。物体动力学通用方程为

式中：为质量矩阵，为加速度向量，为阻尼矩阵，为速度向量，为刚度矩阵，为位移向量，为力向量。

模态分析实际上就是进行特征值和特征向量的求解。物体无阻尼情况下的运动方程为

若声学采集探头各质点按同一频率作简谐运动，则有

式中：为初相位。

将公式（9）代入公式（8），可得

求解公式（10）可得到多个特征解，其中，为第阶固有频率，为对应的振型。当激励频率与声学采集探头的固有频率接近时，会产生共振现象，影响声音信号的采集[9]。

2  振动检测

供水管道振动检测位置如图1所示。

振动主要来源于供水管道的管壁。通过磁吸在供水管道管壁上的三轴加速度传感器采集振动信号，并通过傅里叶变换获取振动信号的频谱，如图2所示。

由图2可知，供水管道管壁的振动频率在0 ～    5 000 Hz的范围内。

3  声学采集探头模型建立和模态分析

3.1  声学采集探头模型建立

声学采集探头主要由磁链、压盘和内腔体等组件构成。其中，磁链连接声学采集探头与供水管道；压盘确保声学采集探头与供水管道管壁紧密贴合，避免缝隙对声音信号采集的影响；电路板固定于内腔体中。本文采用SolidWorks软件对声学采集探头进行三维建模，并对磁链、压盘等组件进行简化处理，结构示意图如图3所示，半剖视图如图4所示。

3.2  内腔体的有限元模态分析

首先，将SolidWorks软件建模的声学采集探头模型导入ANSYS Workbench中，对声学采集探头的内腔体进行材料定义，材料属性如表1所示。

然后，利用ANSYS Workbench对声学采集探头的内腔体模型进行网格划分。本文采用5 mm网格大小的四节点矩形单元划分方法，自动划分内腔体模型的网格，如图5所示。

由于供水管道振动激励频率范围为0～5 000 Hz，只要保证声学采集探头第一阶固有频率高于5 000 Hz，即可避免出现共振现象。通过改变内腔体的底部厚度可改变内腔体的固有频率。对不同底部厚度的内腔体进行模态分析，其第一阶固有频率如表2所示。

由表2可知，当内腔体底部厚度为4 mm时，其第一阶固有频率高于5 000 Hz。因此，选用底部厚度为4 mm的内腔体结构，对其前6阶的模态进行分析，结果如表3所示。

由表3可知，底部厚度为4 mm的内腔体前6阶的固有频率都高于5 000 Hz，且逐渐增大，从而避开了共振激励的频率范围。

4  现场测试

在供水现场进行供水管道声音信号的采集测试。将声学采集探头通过磁吸的方式吸附在供水管道的管壁上，如图6所示。

声音信号采样频率设为48 000 Hz，完全覆盖了麦克风的频响范围。采集的供水管道声音信号时域图、频域图如图7所示。

由图7（b）声音信号频域图可知，供水管道声音振动信号频率出现在5 000 Hz之前，有效地避免了声学采集探头与供水管道产生共振的问题。

5  结论

本文针对声学采集探头与供水管道的共振问题，基于模态分析技术研究了声学采集探头的优化设计方法。首先，采集供水管道的振动信号，以确定振动激励的频率范围；然后，利用SolidWorks构建声学采集探头模型，并利用ANSYS Workbench对声学采集探头的内腔体进行模态分析，发现底部厚度为4 mm的内腔体的第一阶固有频率能达到5 000 Hz以上。

通过对声学采集探头进行现场测试与分析，验证在声音检测频率范围内，未出现明显的共振现象，表明通过调整内腔体的底部厚度，提高了声学采集探头的第一阶固有频率，避免与供水管道产生共振，提升了声音信号采集的可靠性。

参考文献

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