王小懷，劉秋武

（韓山師范學院物理與電子工程學院，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)的漏失問題是涉及節(jié)能和安全領域的一個亟待解決的重大難題．據(jù)統(tǒng)計，目前全國有一半以上的城市供水管網(wǎng)漏損率高于國家標準規(guī)定值，年漏損水量達60億m3，且呈逐年上升的趨勢，造成極大的浪費．而輸油、天然氣管道的泄漏更是涉及到民眾的生命財產(chǎn)安全大問題．防止和降低漏耗非常關鍵的一個環(huán)節(jié)就是檢漏，因此設計出更加簡便、性價比更高、適合普及推廣、可以主動檢漏的檢漏儀具有重大的社會效益和經(jīng)濟效益．

本文以地下水管為對象，采用振幅衰減與相關檢測相結合的方法研究如何快速和準確地判斷出漏水點的位置．

2 振幅衰減法

2.1 實驗裝置

實驗裝置示意圖及實物圖如圖1所示，其中包括靈敏度可校準的拾音探頭，計算機采集處理系統(tǒng)，隔音綿，信號線，待測金屬水管及水源等．

2.2 實驗原理

通水中的水管破裂漏水，水在泄漏處形成一定的沖擊聲，設漏水聲的聲強為I，聲音波形幅值為A，聲音接收器與聲源距離為X，在聲音傳播過程中，聲強I發(fā)生衰減，聲波振幅與傳播距離的n次冪成反比關系．在傳播距離較短時近似取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滿足以下關系[1]．

圖1 振幅衰減法裝置示意圖及實物圖

式中k為比例系數(shù)．

在本實驗中，設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，左探頭與漏點距離為X1，右探頭與漏點距離為X2．根據(jù)式（1），可得

若漏點在兩探頭之間且兩探頭間距為d，則漏點與左探頭的距離

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

1）漏點在中間：兩探頭相互靠近時收集到的信號幅值都在增加．

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

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

利用labview軟件設計漏水聲信號實時采集及處理程序[2]，記錄漏水聲的波形及幅值，如圖2．

2.3 實測結果及分析

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

從實測結果看，與漏點實際位置偏差僅0.028 m，相對誤差2.2%，定點精度較高．

振幅衰減法方法簡單，能實現(xiàn)實時快速定位，但應用過程中受到探測距離的制約．距離太大時聲音的衰減偏離線性規(guī)律，定點誤差大；距離過短時則衰減不明顯，無法準確定點．另外，即使經(jīng)過校準，兩個拾音探頭的靈敏度仍會有一定差異，勢必對完全依賴振幅進行定位的振幅衰減法帶來影響．當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可結合相關識別進行檢測．

圖2 漏水聲波信號實時采集及處理程序圖

圖3 信號采集系統(tǒng)及處理結果

表1 漏點與右探頭的實測數(shù)據(jù)

3 相關檢測法

3.1 實驗裝置

實驗裝置示意圖見圖4．

3.2 實驗原理

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

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

聲波在水管中的傳播速度v通過定標得出．方法是定點敲擊水管壁，記錄兩個通道所獲取的敲擊聲波形．利用敲擊聲幅度大，持續(xù)時間短的特點，識別出兩波形的相位并測出時間差t，再結合已知的探頭間距和敲擊點位置，利用式（4）測出v．圖5為d取2 m，敲擊位置距離左探頭0.5 m時所采集到的波形，其中左通道波形明顯超前．實驗中，采樣頻率為88.2kHz，測出右通道波形延遲18個抽樣間隔，則延遲時間[4]

圖4 相關檢測示意圖

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 實測結果及分析

兩探頭間距d取2 m，漏點距左探頭實際距離0.5 m，采用相關法進行漏點檢測．圖6為漏水聲整體波形圖．圖7是通過程序反復篩選后截取的兩通道相關性最高的一段波形圖，長度n為80個樣點．其中左通道相關范圍為1 381～1 461，右通道相關范圍為1 400～1 480，兩者的相關性測量值為0.934 39，右通道比左通道延遲了19個抽樣間隔．

圖6 漏水聲波形圖

圖7 相關性最高的一段波形

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

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

4 結束語

采用振幅衰減與相關檢測相結合的方法能適用不同的探測環(huán)境和不同的檢測對象．不僅可用于地下供水管道的檢漏，同樣也適用于輸油管道、燃氣管道的漏點檢測．考慮到實際應用中大范圍、長距離的檢測需要，還可借助無線傳播技術，將采集到的兩路信號調制后以無線電方式發(fā)送至接收裝置，解調后再進行相關識別處理．

該檢漏系統(tǒng)裝置簡單，外出攜帶方便，系統(tǒng)人機界面交互性好，操作簡易，檢測對象廣，性價比很高．漏點定位速度快、精度高，完全能滿足實際應用的需要．該定位方法獨具創(chuàng)造性，已于2017年11月7日獲得國家發(fā)明專利（專利號：ZL201610250216.2）授權，具有很高的實用價值和社會效益．

[1]朱鶴年．物理測量的數(shù)據(jù)處理與實驗設計[M]．北京：高等教育出版社，2010：64-71．

[2]李卓凡，王小懷．超聲多普勒效應實驗裝置的設計與應用[J]．實驗技術與管理，2011，28（8）：60-63．

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

[4]李網(wǎng)寶，吳云波．利用相關儀測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．