王小懷，劉秋武

（韓山師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，廣東潮州 521041）

1 引 言

供水、輸油、天然氣等各類地下輸送管網(wǎng)的漏失問(wèn)題是涉及節(jié)能和安全領(lǐng)域的一個(gè)亟待解決的重大難題．據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全國(guó)有一半以上的城市供水管網(wǎng)漏損率高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，年漏損水量達(dá)60億m3，且呈逐年上升的趨勢(shì)，造成極大的浪費(fèi)．而輸油、天然氣管道的泄漏更是涉及到民眾的生命財(cái)產(chǎn)安全大問(wèn)題．防止和降低漏耗非常關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)就是檢漏，因此設(shè)計(jì)出更加簡(jiǎn)便、性價(jià)比更高、適合普及推廣、可以主動(dòng)檢漏的檢漏儀具有重大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益．

本文以地下水管為對(duì)象，采用振幅衰減與相關(guān)檢測(cè)相結(jié)合的方法研究如何快速和準(zhǔn)確地判斷出漏水點(diǎn)的位置．

2 振幅衰減法

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖及實(shí)物圖如圖1所示，其中包括靈敏度可校準(zhǔn)的拾音探頭，計(jì)算機(jī)采集處理系統(tǒng)，隔音綿，信號(hào)線，待測(cè)金屬水管及水源等．

2.2 實(shí)驗(yàn)原理

通水中的水管破裂漏水，水在泄漏處形成一定的沖擊聲，設(shè)漏水聲的聲強(qiáng)為I，聲音波形幅值為A，聲音接收器與聲源距離為X，在聲音傳播過(guò)程中，聲強(qiáng)I發(fā)生衰減，聲波振幅與傳播距離的n次冪成反比關(guān)系．在傳播距離較短時(shí)近似取n=1，即聲音接收器至聲源距離X與接收到的漏水聲振幅A滿足以下關(guān)系[1]．

圖1 振幅衰減法裝置示意圖及實(shí)物圖

式中k為比例系數(shù)．

在本實(shí)驗(yàn)中，設(shè)左通道聲音波形幅值平均值為A1，右通道聲音波形幅值平均值為A2，左探頭與漏點(diǎn)距離為X1，右探頭與漏點(diǎn)距離為X2．根據(jù)式（1），可得

若漏點(diǎn)在兩探頭之間且兩探頭間距為d，則漏點(diǎn)與左探頭的距離

首先利用高靈敏度的監(jiān)聽裝置判斷漏點(diǎn)大致位置，盡量縮小漏點(diǎn)搜索范圍．至于漏點(diǎn)與兩探頭的相對(duì)位置可用以下方法判斷．

1）漏點(diǎn)在中間：兩探頭相互靠近時(shí)收集到的信號(hào)幅值都在增加．

2）漏點(diǎn)在左探頭左側(cè)：兩探頭相互靠近時(shí)，左探頭收集的信號(hào)幅值減小，而右探頭收集的信號(hào)幅值增大．

3）漏點(diǎn)在右探頭右側(cè)：兩探頭相互靠近時(shí)，右探頭收集的信號(hào)幅值減小，而左探頭收集的信號(hào)幅值增大．

利用labview軟件設(shè)計(jì)漏水聲信號(hào)實(shí)時(shí)采集及處理程序[2]，記錄漏水聲的波形及幅值，如圖2．

2.3 實(shí)測(cè)結(jié)果及分析

給待測(cè)水管通水，兩探頭間距d取2 m，漏點(diǎn)位于兩探頭之間且距右探頭1.3 m，啟動(dòng)程序采集左右探頭的振幅波形，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)30 s時(shí)間里各通道的幅值平均值，利用式（3）定出漏點(diǎn)位置．圖3是信號(hào)采集系統(tǒng)及處理結(jié)果截圖，測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示[3]．

從實(shí)測(cè)結(jié)果看，與漏點(diǎn)實(shí)際位置偏差僅0.028 m，相對(duì)誤差2.2%，定點(diǎn)精度較高．

振幅衰減法方法簡(jiǎn)單，能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)快速定位，但應(yīng)用過(guò)程中受到探測(cè)距離的制約．距離太大時(shí)聲音的衰減偏離線性規(guī)律，定點(diǎn)誤差大；距離過(guò)短時(shí)則衰減不明顯，無(wú)法準(zhǔn)確定點(diǎn)．另外，即使經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，兩個(gè)拾音探頭的靈敏度仍會(huì)有一定差異，勢(shì)必對(duì)完全依賴振幅進(jìn)行定位的振幅衰減法帶來(lái)影響．當(dāng)便捷的振幅衰減法出現(xiàn)定位困難或定位精度要求更高時(shí)可結(jié)合相關(guān)識(shí)別進(jìn)行檢測(cè)．

圖2 漏水聲波信號(hào)實(shí)時(shí)采集及處理程序圖

圖3 信號(hào)采集系統(tǒng)及處理結(jié)果

表1 漏點(diǎn)與右探頭的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

3 相關(guān)檢測(cè)法

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置示意圖見圖4．

3.2 實(shí)驗(yàn)原理

設(shè)漏水聲分別傳播至左、右探頭的時(shí)間差為t，兩探頭間距為d，聲波在水管中的傳播速度為v，則左探頭與漏點(diǎn)距離

利用Cool Edit軟件采集左右探頭的漏水聲信號(hào)，利用Matlab軟件編程進(jìn)行分析，找出兩通道間相關(guān)程度最好的段落，計(jì)算出兩者的延遲時(shí)間t．系統(tǒng)采樣頻率為f，則抽樣間隔T=1/f．若測(cè)得兩通道相差n個(gè)抽樣間隔，則延遲時(shí)間

聲波在水管中的傳播速度v通過(guò)定標(biāo)得出．方法是定點(diǎn)敲擊水管壁，記錄兩個(gè)通道所獲取的敲擊聲波形．利用敲擊聲幅度大，持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn)，識(shí)別出兩波形的相位并測(cè)出時(shí)間差t，再結(jié)合已知的探頭間距和敲擊點(diǎn)位置，利用式（4）測(cè)出v．圖5為d取2 m，敲擊位置距離左探頭0.5 m時(shí)所采集到的波形，其中左通道波形明顯超前．實(shí)驗(yàn)中，采樣頻率為88.2kHz，測(cè)出右通道波形延遲18個(gè)抽樣間隔，則延遲時(shí)間[4]

圖4 相關(guān)檢測(cè)示意圖

可求得聲波在水管中的傳播速度v為4 902 m/s．

圖5 敲擊聲波形圖

3.3 實(shí)測(cè)結(jié)果及分析

兩探頭間距d取2 m，漏點(diǎn)距左探頭實(shí)際距離0.5 m，采用相關(guān)法進(jìn)行漏點(diǎn)檢測(cè)．圖6為漏水聲整體波形圖．圖7是通過(guò)程序反復(fù)篩選后截取的兩通道相關(guān)性最高的一段波形圖，長(zhǎng)度n為80個(gè)樣點(diǎn)．其中左通道相關(guān)范圍為1 381～1 461，右通道相關(guān)范圍為1 400～1 480，兩者的相關(guān)性測(cè)量值為0.934 39，右通道比左通道延遲了19個(gè)抽樣間隔．

圖6 漏水聲波形圖

圖7 相關(guān)性最高的一段波形

由式（5）求得兩通道時(shí)間差t=0.000 215 s，代入式（4）得出漏點(diǎn)與左探頭的距離X1=0.473 m，與實(shí)際位置接近．

理論上，相關(guān)檢測(cè)法的測(cè)量誤差Δ與采集波形時(shí)的抽樣頻率f及聲波在水管中的傳播速度v滿足的關(guān)系，可見抽樣頻率越高，定位精度也越高．就本實(shí)驗(yàn)所采用的88.2 kHz采樣速率而言，定位誤差僅為0.056 m，完全可滿足實(shí)際應(yīng)用的需要[5]．

4 結(jié)束語(yǔ)

采用振幅衰減與相關(guān)檢測(cè)相結(jié)合的方法能適用不同的探測(cè)環(huán)境和不同的檢測(cè)對(duì)象．不僅可用于地下供水管道的檢漏，同樣也適用于輸油管道、燃?xì)夤艿赖穆c(diǎn)檢測(cè)．考慮到實(shí)際應(yīng)用中大范圍、長(zhǎng)距離的檢測(cè)需要，還可借助無(wú)線傳播技術(shù)，將采集到的兩路信號(hào)調(diào)制后以無(wú)線電方式發(fā)送至接收裝置，解調(diào)后再進(jìn)行相關(guān)識(shí)別處理．

該檢漏系統(tǒng)裝置簡(jiǎn)單，外出攜帶方便，系統(tǒng)人機(jī)界面交互性好，操作簡(jiǎn)易，檢測(cè)對(duì)象廣，性價(jià)比很高．漏點(diǎn)定位速度快、精度高，完全能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要．該定位方法獨(dú)具創(chuàng)造性，已于2017年11月7日獲得國(guó)家發(fā)明專利（專利號(hào)：ZL201610250216.2）授權(quán)，具有很高的實(shí)用價(jià)值和社會(huì)效益．

[1]朱鶴年．物理測(cè)量的數(shù)據(jù)處理與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[M]．北京：高等教育出版社，2010：64-71．

[2]李卓凡，王小懷．超聲多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2011，28（8）：60-63．

[3]孫愛晶，劉毓，馬賀洲．基于LabVIEW的聲卡數(shù)據(jù)采集及濾波處理設(shè)計(jì)[J]．自動(dòng)化與儀表，2009（5）：45-47．

[4]李網(wǎng)寶，吳云波．利用相關(guān)儀測(cè)定管道傳聲速度的兩種方法[J]．城鎮(zhèn)供水，2006（3）：32-33．

[5]陳月娥，王永琦．供水管道常用檢漏方法與儀器[J]．黑龍江科技信息，2010（20）：234．