次声波检测装置的研制
基于次声波的天然气管道泄漏检测系统设计
阚玲 玲 等 ． 于 次 声 波 的 天 然 气 管 道 泄 漏 检 测 系 统 设 计 基
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基 于次声 波 的天 然 气 管道 泄 漏检 测 系统 设计
阚玲 玲 粱洪 卫 高 丙坤 王 秀芳
（ ｊ 石 油 大 学 ， 龙 江 大 庆 １３ １ ） 东 Ｅ 黑 ６ ３ ８
天然 气 管 网集 输 系 统 规模 Ｅ益 扩 大 ， 道 占 ｔ 管
压 、 蚀 和 老化 情 况 加 剧 ， 气 现 象 日益 猖獗 ， 腐 盗 这
钟 控制 下 ， 实现 快速精 确 的检测 与定 位 ； 数传 电台
完 成 首 、 站 数 据 的 交 互 ； 位 机 软 件 由 Ｖ 开 末 上 Ｓ
都 严重 影 响 了管道 的安 全 平 稳 运 行 ， 且 存 在 一 并 定 程度 的安 全 隐患 。声波 泄漏 检测 技术 和分 布 式 光 纤泄漏 检 测技术 是 近年来 国 内外 泄漏 检测 技 术 研究 的重 点 和热 点 ， 且 已经 初 步 应 用 于 天 然 气 并
发 ， 现人 机交 互 ， 合 负压波 法 、 实 融 次声波 法 、 质量 平 衡法 和 瞬态模 型法 ， 根据 多种 信 息融合 结 果 ， 实 现 泄漏 的快 速 报警及 自／ 手动定 位 。
测 系统 中 的应 用 展 开 研 究 ， 计 出可 快 速 和精 确 设 实 现天然 气 管道泄 漏报 警 与定 位检测 的新方 案 。
１ 系 统 设 计
２ 次 声 波 检 测
天 然气 管 道 内 的 介 质 和 管 道 壁 是 紧 密 接 触
天然 气管 道泄 漏 检测 系统 主要解 决 管道 发 生 泄漏 时 的快 速报警 和 泄漏点 的精 确定 位 两个 主 要 问题 ， 者 以声 波 法 为 主 ， 态模 型法 、 压 波 法 笔 瞬 负
次声波综述
浅谈次声波1.引言在声波的频段划分中，人们把频率低于20Hz的声波称作次声波。
次声普遍存在于多种现象中。
由于人耳只能听到频率在20~20kHz范围内的声音，所以长期以来次声没有引起人们过多的注意。
在自然现象中，地震、火山爆发、风暴、雷暴、磁暴、陨石落地、大气湍流等都会产生次声波。
人类的活动，如核爆炸、人工爆破、火箭起飞、飞机起降、奔驰车辆的振动等也会产生相当强的次声波。
另外，还可以人为制造声源——次声发生器。
这种发生器的工作很像风琴管，可以具有较大的功率。
次声波和声波一样，其传播遵循声波传播的一般规律，但由于它的频率很低，在传播时也有自己的特殊性。
次声波在20℃的大气中的传播速度为334m/s。
由于次声波的频率低，波长大，容易发生衍射，在传播过程中遇到障碍物很难被阻挡，经常会一绕而过，在有些情况下，哪怕是巨大的山峦也无法阻挡它的传播。
另一方面，声波在传播过程中，频率越高，衰减越大。
次声波由于频率很低，在传播过程中衰减很小。
当次声波在大气中传播几千千米时，空气对其吸收还不到万分之几分贝。
因此，次声波可以在空气、地面等介质中传播得很远。
近些年来，对次声波有了较多的关注和研究，逐渐发现它在各个方面的应用价值。
次声波的应用前景大致有这样几个方面：（1）通过研究自然现象所产生的次声波的特性和产生的机理，更深入地研究和认识这些自然现象的特征与规律。
例如，利用极光所产生的次声波，可以研究极光活动的规律。
（2）利用所接收到的被测声源产生的次声波，可以探测声源的位置、大小和研究其他特性。
例如，通过接收核爆炸、火箭发射或者台风产生的次声波，来探测出这些次声源的有关参量。
（3）预测自然灾害性事件。
许多灾害性的自然现象，如火山爆发、龙卷风、雷暴、台风等，在发生之前可能会辐射出次声波，人们就有可能利用这些前兆现象来预测和预报这些灾害性自然事件的发生。
（4）次声波在大气层中传播时，很容易受到大气介质的影响，它与大气层中的风和温度分布等因素有着密切的联系。
初赛方案《基于迈克尔逊干涉仪的干涉型次声监测装置》
基于迈克尔逊干涉仪的干涉型次声监测装置参赛学生：黄万平黄斌郑辉林晓虹许湘苗指导老师：刘朝晖李丰果摘要：在现今信息领域中次声波是值得研究的一种信号，由于次声波的频率低的特殊性，所以获取次声的相关信息需要相应的检测装置。
干涉式次声监测装置创造性的结合了简谐振动、迈克尔逊干涉原理以及多普勒效应，利用普通大学实验室均具有的迈克尔逊干涉仪进行改装，将其一臂反射镜改装为带反射镜的振动膜片，膜片感应声压变化从而发生振动，进而改变干涉仪两臂光程差，最终导致干涉光斑强度发生变化从而获得次声波物理量。
关键词：次声波迈克尔逊干涉仪光电效应 matlab目录第一章引言................................................................................................ - 1 -1.1 环境次声监测装置的研制背景 .................................................................................................. - 1 -1.2 次声传感器的发展与现状 .......................................................................................................... - 1 -1.3 干涉式环境次声监测装置的研制目的及意义 .......................................................................... - 2 -第二章干涉式次声传感器的理论与原理..................................................... - 4 -2.1 声学测量的基本理论 .................................................................................................................. - 4 -2.2 振动膜片运动原理 ...................................................................................................................... - 6 -2.3 迈克尔逊干涉仪原理 .................................................................................................................. - 6 -2.4 干涉式次声监测装置原理 .......................................................................................................... - 8 -2.5 本章小结.................................................................................................................................... - 10 -第三章环境次声监测装置框架与实现........................................................ - 11 -3.1系统框架..................................................................................................................................... - 11 -3.2 系统实现.................................................................................................................................... - 11 -第四章干涉式次声传感器的仿真分析....................................................... - 15 -4.1 实验仿真.................................................................................................................................... - 15 -第五章实验数据处理与分析..................................................................... - 20 -5.1 实验数据.................................................................................................................................... - 20 -5.2 波形分析.................................................................................................................................... - 21 -第六章总结.............................................................................................. - 23 -附录：....................................................................................................... - 24 -第一章引言1.1 环境次声监测装置的研制背景通常在声波的频段划分中，把振动体所发出的频率低于20Hz的声音称作次声，正常人耳听不到这些声音，所以，次声长期以来没有引起人们的注意。
无形杀手的克星——航天科工集团研发便携式次声探测仪
无形杀手的克星——航天科工集团研发便携式次声探测仪
作者：杨晨，杨金宝
来源：《中国军转民》 2018年第3期
近日，由航天科工集团207所与中科院声学研究所联合研发的便携式次声探测仪研发成功并投入使用。
次声波为频率在o．0001一20Hz的声波，这个频段通常是人耳无法感知的，但由于人体各器官的固有频率也大致处于这个范围，所以大功率、高强度的次声一旦作用于人体，其产生的共振效应会对人体造成伤害。
据媒体报道，某国驻外使馆曾受到“声波”攻击，其工作人员健康受到了一定影响。
在上述背景下，207所与中科院声学研究所开展深度合作，利用双方各自在声学探测领域与安防、工业监测领域产品集成设计方面的积累，联合研发一款便携式次声探测仪，以实现对“次声”污染的快速探测及预警。
据了解，该产品设计有用户友好的可视化界面，可显示声压和音频曲线，并以色标显示环境中次声累积量，检测准确率高，可用于重要驻地的安保监测任务，主要可探测环境中是否存在持续的、可能危及健康的次声波并进行预警提醒。
目前，首套便携式次声探测仪已应用于北京某重大会议活动，设备运行良好。
（杨晨杨金宝）。
一种次声波武器制作方法
一种次声波武器制作方法次声波武器是一种利用次声波震荡物体或破坏物体的装置。
它的制作方法需要一定的科学知识和技术，并且在实际应用中有一定的限制和法律规定。
下面是一种可能的次声波武器制作方法：1.设备准备：首先，需要准备一个次声波振动装置，它可以产生高频次声波。
这个装置包括一个发生器、功率放大器和振动器。
发生器负责产生频率较高次声波的信号，功率放大器将信号放大，振动器将信号转化为机械振动。
2.次声波传播：次声波是一种低频音波，传播速度较慢，容易受到空气和物体的干扰。
因此，在设计次声波武器时，需要考虑次声波的传播路径，避免因为障碍物的存在而使得次声波衰减或传播不稳定。
3.目标破坏：次声波武器的主要目的是破坏物体或对人体造成伤害。
在设计过程中，需要考虑目标物体的特性和对次声波的敏感程度。
不同材料对次声波的响应不同，因此需要根据目标物体的材料来调整次声波的频率和振动参数。
4.目标定位：次声波武器需要精确的目标定位功能，这样才能将次声波的能量聚焦在目标物体上。
精确的目标定位可以通过雷达、红外线或激光等技术实现，以确保次声波的能量可以准确地传递到目标物体上。
5.功率控制：次声波武器的功率控制非常重要，过高的功率可能导致非法使用或对目标物体造成过度的破坏。
在制作过程中，需要合理设计功率放大器和振动器，以确保输送到目标物体上的次声波能量适中，既可以起到破坏作用，又可以避免不必要的损害。
需要注意的是，次声波武器的制作和使用可能存在法律上的限制。
在大多数国家，制造和使用武器是受到法律监管的，如果没有相应的许可或授权，擅自制造或使用次声波武器可能涉及到违法行为。
因此，在进行次声波武器的制作前，必须确保遵守国家和地区的法律法规。
总的来说，次声波武器的制作涉及到物理学、工程学以及电子技术的知识。
它需要精确的设计和合理的参数调整，才能够达到预期的效果。
同时，制作和使用次声波武器需要遵守法律法规，确保安全、合法的使用。
次声波检测装置的研制
电信号，输出的信号可以直接记录或是 Ａ／Ｄ 转换后供计算机分析
处理。频率响应为 ０．０１～１０Ｈｚ，灵敏度为 ４００ｍｖ／Ｐａ，噪声级低于
最小基准噪声级（１Ｈｚ 时约为 ５ｍＰａ）１８ｄＢ，动态范围为 １０８ｄＢ，工作
温度范围 －１０℃～４５℃之间。
次声波传感器频率响应为劲度控制，系统的高频限由系统的
（如温度，时间等）改变其弹性，这样，即可以确保传感器的系统劲
度恒定，从而确保其长期稳定性；为了抑制振动对次声波传感器
的干扰， 一方面研究次声波的最佳安装位置， 使膜片与地平面垂
直；另一方面还可以采用微振传感器进行补偿；使传感器有很好
的抗干扰性能。
在电容式次声传感器中，是采用调幅原理测量换能用电容传
感器的慢变化。其方法是把电容传感器作为电容电桥的一臂，当
到的信号经数模转换器后直接与单片机相连，由８９ＳＣ５１进行数据
处理。数模转化
器采用 ＡＤＣ０８０９
是 ８位 ＭＯＳ型逐次
逼近式 Ａ ／ Ｄ 转换
器， 具有速度快、
灵敏度高的特点。
用于实验的次声波检测记录仪的设计原理如图 １。
本检测装置采用８９ＳＣ５１单片机作为智能处理芯片，由于自然
界中存在的大量次声和低频声波对系统有干扰，如大风等，因此本
循环扫描显示。软件流程图如图 ３ 所示：
四、结束语
次声波在声学探测
方面还是一个比较新的
领域，本文基于电容式次
声传感器设计的次声波
检测装置，抗干扰能力强
且稳定性比较好，可以作
为便携式次声检测仪使
用，也可以作为次声探测
系统的数据采集模块。
★ 国家重点基础研
究发展计划 ９ ７ ３ 项目
（２００７ＣＢ２０９４０７）、国家８６３
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次声波检测装置的研制
李晓，郑伟，陈洪波
中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏徐州（221008）
E-mail：lixiao19842008@
摘要：次声波是信息领域中值得研究的一种信号，次声波的信息获取需要相应的检测装置。
本文介绍了以电容式次声波传感器检测次声波的原理、特性分析和信号处理方法，设计了以89S51单片机为核心的智能型次声波检测装置，对系统软硬件设计进行了详细的说明。
该检测装置结构简单，灵敏度高，抗干扰能力强，可广泛应用于自然灾害和环境次声的探测与研究。
关键词：次声波；电容式次声传感器；检测
中图分类号：TP
0. 前言
声音是由物体振动而产生的弹性波，并能引起听觉的声波，只是它的大小取决于振动的频率和幅度。
人耳所能接收的频率范围为20Hz～20kHz。
凡超过20kHz的声音信号叫超声波，而低于20Hz的声音信号称亚声波或次声波，次声波具有能量大、不易损失、易于接收等优点。
传播距离也比一般的声波、光波和无线电波都远[1]。
本文利用次声波产生的空气微压波动改变电容传感器参数来测量次声波，设计以单片机为核心部件的智能化次声检测仪。
此装置结构简单，灵敏度高，抗干扰能力强，可广泛应用于自然次声（地震、火山喷发、流星爆炸、太阳磁暴、山体滑坡、台风、雷暴、晴空湍流、风暴等产生的次声）和人工次声（核爆、火箭发射、火炮、飞机、运载工具、电站、水坝、大桥、高楼、地铁、制冷机等产生的次声）的探测与研究。
1．电容式次声传感器
次声传感器，是以电筒传声器为核心构成的。
其原理属于电容传感器，它将次声声能转换为可供放大、传输、记录或分析的电信号，输出的信号可以直接记录或是A/D转换后供计算机分析处理。
频率响应为0.01～10Hz，灵敏度为400mv/Pa，噪声级低于最小基准噪声级（1Hz时约为5mPa）18dB，动态范围为108dB，工作温度范围-10℃～45℃之间。
图1 传感器频响曲线图
Fig1 Frequency response curve of the sensor
次声波传感器频率响应为劲度控制，系统的高频限由系统的劲度（弹性的倒数）控制。
对于劲度控制系统，在第一共振频率以下，可以有平直的响应，其下限频率很容易做得很低，甚至为零赫兹；同时可以抑制较高频率声波的影响，可以控制声波上限在20赫兹[2]。
根据对次声波的试验数据分析，研究通过调整劲度控制，使次声波传感器的频率范围在一定的范围内，从根本上消除其它非相关声波的干扰；此外，使膜片工作于弹性区，不会因为外界影响（如温度，时间等）改变其弹性，这样，即可以确保传感器的系统劲度恒定，从而确保其长期稳定性；为了抑制振动对次声波传感器的干扰，一方面研究次声波的最佳安装位置，使膜片与地平面垂直；另一方面还可以采用微振传感器进行补偿；使传感器有很好的抗干扰性能[3]。
在电容式次声传感器中，是采用调幅原理测量换能用电容传感器的慢变化。
其方法是把电容传感器作为电容电桥的一臂，当输入一等幅高频电压时，输出端即可得到受电容变化调制的调幅波，调幅波经电压放大后送入调节器，就可得到低频电信号。
电容电桥调幅原理等效电路图如图2所示，
图2 电容电桥调幅原理 Fig2 Capacitance bridge AM Principle
根据上图可以写出各参量的关系式：
()010022C C U U C C =
+
(1)
式中 U1——高频信号源电压 U0——输出端电压 C0——电容传感器的电容
c ——由电压信号作用引起C0的变化量
从（1）式可以看出，U0与（△C/C0）的关系是非线性的。
它与线性关系的偏差e 为：
()2
01042C C u e C C =+
（2）
如设e 与线性关系的比值为K ，则得：
()()00022
C C C C K C C =
≤+ （3）
根据（3）式可以决定，在允许-偏差范围内电容传感器的变化范围[4]。
这一结论不仅在理论上解决了电容传感器的允许偏差范围，而且可提供在以后的调试时作为检测和调试的依据方法。
2．系统硬件设计
检测装置采用89S51单片机作为智能处理芯片，传感器检测到的信号经数模转换器后直接与单片机相连，由89S51进行数据处理。
数模转化器采用ADC0809是8位MOS 型逐次逼近式A/D 转换器，具有速度快、灵敏度高的特点。
用于实验的次声波检测记录仪的设计原理如图3，
图3 次声波检测记录仪设计原理图 Fig3 Infrasound detection recorder design schematics
本检测装置采用89S51单片机作为智能处理芯片，由于自然界中存在的大量次声和低频声波对系统有干扰，如大风等，因此本文将一个低通滤波电路接在图2所示的传感器电路后面，滤掉干扰声波，提高系统的信噪比。
滤波有软件滤波和硬件滤波，本文选择硬件滤波。
经滤波后的检测信号送往ADC0809的IN0通道进行模数转换，ADC0809直接与89S51接口进行数据传递，由89S51单片机实现数据处理，将处理结果放入外部存储器中，并在数码管上显示数值，考虑到输入电压异常波动会影响数码管显示，可在数模转换前加一个RC 滤波，实验表明，加RC 滤波以后数码管数据显示比不加RC 滤波之前稳定了许多。
本装置也可以实现监测功能，那就是再由单片机控制一个报警系统来实现[5]。
硬件电路原理：
图4 系统硬件原理图
Fig4 System hardware flow chart
3．系统软件设计
系统的软件设计主要是通过对单片机进行编程，进行数据的采集、转换处理和存储，通过设置和修改参数，进行不同的采集，存储和计算。
由于ADC0809的转换时间即为100us，本系统选择通过采用定时中断T0定时1ms的方法设置模数通道的采样频率，即每经过1ms 定时中断一次，同时显示模块自动刷新数据一次，并通过编程将ADC0809转换所得二进制数据转换成十进制数据，在数码管上动态循环扫描显示。
软件流程图如下图所示
图5 软件流程图
Fig5 Software flow chart
4．结束语
次声波在声学探测方面还是一个比较新的领域，本文在基于电容式次声传感器设计的次声波检测装置抗干扰能力强且稳定性比较好，既可以作为便携式次声检测仪使用，也可以作为次声探测系统的数据采集模块。
装置中采用单片机进行数据处理，提高了检测精度，并使其功能多样化、智能化。
参考文献
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The development of infrasound detection device
Li Xiao，Zheng Wei，Chen Hongbo
School of Information and Electrical Engineering，China University of Mining and Technology，
Xuzhou，Jiangsu，PRC (221008)
Abstract
Infrasound is a signal worth studying in the field of information. The acquisition of acoustic information requires a corresponding detection device. This paper introduces the principle, character analysis and signal processing methods of infrasound based on a kind of capacitive infrasound sensor. This paper introduces a intelligent infrasound detection device at the core of 89S51, and gives the design of hardware and software system based on a kind of capacitive sensor in detail. The detection device can be applied to natural disasters and environmental infrasound detection and research for its simple structure,high sensitivity, and strong interference.
Keywords：infrasound；capacitive infrasound sensor；detection。