导语
声音是人类最早研究的物理现象之一，声学是物理学中历史最悠久而当前仍在前沿的分支学科，它既古老又具有年轻活力。从上古起直到19世纪，都是把声音理解为可听声的同义语。中国先秦时就说：“情发于声，声成文谓之音”，“音和乃成乐”。现代声学中最初发展的分支就是建筑声学和电声学以及相应的电声测量。之后，随着波长范围的扩展，又发展了次声学和超声学，并通过多学科融合，衍生出众多应用于智能制造领域的新兴技术，比如我们今天要讲的声学成像技术，便是其中颇具代表性的“硬科技”。
一、声学成像技术的历史应用
我们讨论的声学成像技术主要是被动声学成像，起源于20世纪70年代，是指基于声传感器阵列接收目标辐射的声音信号，利用相控阵算法计算得到空域波束图，通过彩色等高线图谱方法进行可视化呈现，从而将声场图与可见光的视频进行空间融合，实现类似红外热像仪对物体温度感知的成像图，其本质是将特定频段声场能量在空间的分布与可见光画面融合，进行可视化展示。
声学成像技术将声音信息转换成图像信号以实现空间声源的分布可视化，有利于人们进行监控、追踪和噪声控制，上述优点使得该技术的应用领域十分广泛，尤其是在气动声学方面，如波音公司和NASA就利用声学成像技术在各类声学风洞试验中探测定位机体或喷射器的噪声，且已经做得比较成熟。但在实际民用方面，声学成像技术的应用还处于起步阶段，在国内的发展更是缓慢。
民用方面，早期声学成像技术主要应用于汽车NVH检测、航空航天发动机检测、噪声检测、轨道交通等领域，通过声学图谱诊断并定位机械故障，实时监测和评估设备运行的安全性。例如，汽车发动机声振粗糙度检测、零部件松动排查和传动故障定位；及时发现航空发动机内部的缺陷和问题，如裂纹、疲劳损伤、气孔位置与大小等；实时分析列车运行状态，如轴承磨损、齿轮箱故障、空气弹簧状态、运行噪声定位等。
随着时间的推移，声学成像技术衍生出了更多围绕设备监控与检测的工业领域垂直细分应用场景——电力行业，利用声学成像产品对局部放电进行大面积巡检；风电行业，通过检测风机叶片的异响位置来判断是否存在磨损、断裂、螺丝松动等问题；石化行业，监测压缩气体管道是否发生泄漏的状况；交通运输行业，在复杂的街道环境中监测车辆违法鸣笛；环保领域，监测工业、施工、环境噪声，获取噪声污染执法依据；煤矿行业，监测皮带机托辊磨损、断轴、掉皮等问题。
下面，我们重点讨论一下声学成像技术在电力行业的应用情况。
二、声学成像技术在电力巡检领域的应用
1. 电网面临的挑战
随着电网规模的增长和用电负荷的增加，电力设备的安全运行受到前所未有的挑战。据电网统计，局部放电是造成高压电气设备最终发生绝缘击穿的重要原因，也是绝缘劣化的重要标征，是电网安全的头号公敌。配网是电力系统中直接与用户相连并向用户分配电能的环节，而局部放电会造成配网设备损坏、电力质量下降、电能损失、大面积停电甚至火灾爆炸等重大安全事故，直接影响着人民群众的生产与生活质量。
国家相关规定要求：（变电站巡视应）重点检查设备有无电晕、放电，接头有无过热现象——《国家电网公司变电运维管理规定（试行）》；在进行检测时，要保证人员、仪器与设备带电部位保持足够安全距离；宜具备检测图谱显示功能；宜具备放电类型识别功能或给出各类局部放电发生的可能性——《国家电网超声波局部放电检测细则》。
目前的配网系统缺乏高效、科学、成熟的局部放电检测手段，日常需要投入大量人力进行高强度巡检，实际操作中长期存在设备维护困难、数据分析繁琐、人力成本高、人工效率低下、检测结果不准确、人身安全风险等问题，严重阻碍和制约了电力企业的管理和发展，因此寻找一种安全有效的故障检测方法对于电力设备故障巡检具有重要意义。
2.产品进化之路
由于电气绝缘设备的局部放电会产生超声波信号，上世纪就有基于超声检测局部放电的应用，相关产品主要是利用单传感器和指向性的加强装置进行检测，还要依赖人工观察和耳听进行定位，使用门槛高且难度大。
我们这里重点探讨声学成像仪产品。早期的声学成像仪，以面向低频可听声段（20Khz以下）检测为主，受限于硬件、算力、成本等因素，产品尺寸大，阵元个数少，一体化程度低，使用门槛较高，定位还是专业的仪器设备。
时至今日，随着MEMS麦克风技术与硬件计算能力飞速发展，现在的声学成像产品逐步朝着小型化、多阵元、边缘高算力的方向发展，检测信号频段也朝着更高超声频段发展。
依托声成像的局部放电检测技术，将单一声传感器升级到几十甚至数百个，在提升检测能力的同时，可直观成像定位，结合AI智能算法分析，还能迅速识别出放电类型，大大降低了声学成像产品的应用门槛，大幅提升工作效率。
当前用于电力巡检领域的声学成像设备，主要以手持式声学成像仪、固定式声学成像仪和机载式声学成像仪为主，通道数基本大于64通道，以面向超声频段检测成像为主要应用，包括配网架空线路的局放检测、输电线路局放检测、电力设备在线监测和机器人搭载等垂直细分场景，具备非接触测量、检测效率高、检测结果直观、方便故障管理与计量、应用场景丰富等优势。
其中，手持式方便人工大范围巡检；固定式适合设备要害部位的24小时实时在线监测；机载式根据机器人运动轨迹自动巡检，但机器人的运动过程本身就存在声干扰，尤其是无人机搭载的自噪声会造成成像灵敏度下降，需要日后进一步研究克服。
3.发电应用场景
3.1 定子绕组故障定位
声学成像仪通过检测绕组中微小的声波信号,准确定位局放源,并对局放强度进行量化分析,为发电机状态诊断提供重要依据。
3.2 无损检测转子状态
声学成像仪采用非接触式检测方式,可以在机组运行时对转子进行全面检查,无需拆卸就能获取转子绕组和槽楔的完整状态信息。
3.3 实时监测转子状态
声学成像仪可以与发电机监控系统对接,实现对转子局放情况的持续在线监测,及时发现问题并预警,大大提升了转子故障的预防能力。
4. 输变电应用场景
4.1 变压器局放检测
声学成像仪可以准确检测变压器的局部放电情况,及时发现隐藏的缺陷,为变电站的预防性维护提供有力支持。
4.2 绝缘子局放检测
利用声学成像仪能清晰地捕捉绝缘子表面的部分放电位置和强度,为设备状态监测和故障诊断提供可靠依据。
4.3 高压开关局放检测
声学成像仪可实时监测高压开关局部放电活动,及时发现隐患,大幅降低了设备故障的风险。
4.4 GIS装置局放检测
针对气体绝缘开关设备(GIS)局部放电现象,声学相机能快速准确定位问题所在,为后续维护保养提供依据。
三、声学成像技术应用落地中的问题
虽然声学成像技术和局部放电检测技术均发展多年，但面向电力巡检应用的超声声学成像技术从出现到发展也不超过5年，在技术落地应用过程中，存在着一些亟待解决的问题。
首先，缺乏行业应用标准。声学成像仪作为一款声学仪器设备，在电力巡检行业的应用刚刚起步，尚未建立起统一的行业技术规范和检测标准，对于不同的声学成像设备，客户难以全面准确评估其性能和功能，最终导致入网设备的品质良莠不齐。(注：近年来客户也已经意识到这个问题，并按照实际需求情况建立自己的检验准则。)
第二，难以对局部放电严重程度进行定量化判断。当前声学成像仪虽然具备对于局部放电信号的检测与定位能力，但是缺乏对于放电点位局放等级强弱的定量判断，难以指导客户进行下一步的问题解决以形成更大的价值闭环。声学成像仪获取的声学信息，应当如何有效推算出声源信息，如何通过声源推算出局放严重程度……这些问题还有较多的基础研究工作需要完成，如超声衰减特性、局放源的超声模型研究等。
写在最后
在电网系统日益发达的今天，电力设备的智能巡检和故障诊断成为该领域研究的热点。声学成像作为一种可应用于电力设备巡检的声场可视化技术，能够直观了解设备内部声场的分布情况，协助巡检人员及时发现故障位置，有效提高了故障检测和巡检效率，对于构建智能电网和智慧电站具有重大意义。下一篇文章，我们将继续探讨声学成像产品的应用标准现状和核心性能评价指标，敬请期待！
参考资料：
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