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频率特性;
声强衰减中图分类号:
TE9736文献标志码:
A
Acousticsignalcharacteristicforwatersupplypipelineleakage
YANGLijian,ZHANGLu,GAOSongwei
（SchoolofInformationScienceandEngineering,ShenyangUniversityofTechnology,Shenyang110870,China
Abstract:
Inordertodetecttheacousticsignalofwatersupplypipelineleakage,thegeneratingmechanismanddetectingprincipleofpipelineleakagesoundwaveaswellasthefrequencyandattenuationcharacteristicsofpipelineleakageacousticsignalwereanalyzed.ThepipelineleakageexperimentswereimplementedinthesimulatedwatersupplypipelineusingtheCS3typehydrophone,andtheleakageacousticsignalscollectedintheexperimentwereanalyzedbyMATLABsoftware.Theresultsshowthatthesoundwaveofpipelineleakageisthelowfrequencysignalof60to70Hz,wheretheattenuationcharacteristicsofstableleakageandendleakagearedifferen.tTheexperimentalresultsprovethatthelisteningtechnologyinsidepipeisaccuratefordetectingtheleakagesignalofwatersupplypipelineandthedetectingtechnologyisfeasible.Keywords:
watersupplypipeline;
pipelineleakage;
leakagesigna;
llisteninginsidepipe;
hydrophone;
signalprocessing;
frequencycharacteristic;
soundattenuation供水管道泄漏不仅浪费宝贵的水资源和生产资源,而且对管道自身、建筑物和公路的地基造成
破坏,经济损失巨大.由于管道泄漏,使得外界污染物从管道破损处进入供水系统,从而给供水系统和公共卫生带来危害.正是由于一些无法预测和无法控制等因素的影响,管道在运行过程中经常遭受不同程度的破坏.管道遭受破坏的形式多种多样,通常为细小裂缝和孔洞,多数情况下水不是直接从漏损处流出地面,因而不能直接通过目
视来检测泄漏点,因此,管道的泄漏检测一直是管道安全运行的一项重要内容.目前,常用的检测方
法有流量法、压力法、化学法和应力波法等,这些方法应用起来比较复杂,在确定管道泄漏时误差比较大,因此,本文采用声学方法来检测管道的泄漏.管内听音的声学检测方法对管道泄漏的检测具有灵敏度高、误差小和检测频率范围广等优点,更加适合供水管道泄漏的情况.
1管道内泄漏声波理论
11管道泄漏声波的产生机理
供水管道发生泄漏时,泄漏点因受管道内外压差的影响而造成局部振动,使整个管道产生不同频率的振动.该振动源以声波形式通过管道中的介质水向管道两端迅速传播,因此产生漏水声波.声波在流体介质中主要以平面波的纵波形式
传播,其传播的速度在不同规格管道中不同[1]
.通过对管道内传播的声波信号进行分析,可以检测出管道是否发生泄漏.管道泄漏时声波的传播特性是本文研究的重点.
12管道内泄漏信号声学模型建立
若管道内的流体为理想流体,则具有轴向均匀
流动的流场波动方程,其柱坐标系下的形式[2]
为
2
x2+c22
t
2=0（1
式中,c为波的传播速度.
满足式（1的声压场的解为
p=p0e
i（t-kx
（2
式中:
p0声压幅值;
k流体中的自由波数,k=/c.
设管道半径为R,模拟漏损点开孔直径为d,
管壁厚度为h,流体密度为.将漏损点等效为阻抗元件,坐标原点取在漏点处,则各种声波的具体形式为
pi=poiej
t,ui=
pi
za（3pr=porejt,ur=-pr
za
（4pt=potejt
ut=pt
za（5pb=pobejt,ub=
pb
szs
（6
za管道内流场的特征声阻抗率;
pi,pr,pt,pb入射波、
反射波、透射波、漏出波声压;
poi,por,pot,pob入射波、
反射波、透射波、漏出波声压幅值;
ui,ur,ut,ub入射波、反射波、透射波、漏
出波的质点振动速度;
s开孔的截面积;
zs漏损点的声阻抗.
13泄漏声波检测原理
的一种物理现象.为了提取供水管道中的声波信
号,需要一种能够实现声电转换的声压传感器.
CS3型水听器能将水中声波信号转换成电信号,其敏感元件是直径为8mm,高为8mm的PZT5压电陶瓷圆管.水听器是利用压电陶瓷管将微弱的机械振动（管道泄漏的声波振动转换为电信号的原理来检测管道泄漏.水听器接收电压灵敏
度M（dB转换为绝对值M（V/Pa的方法为
[3]
M=20lg（M/M0（7由于M（dB=-210,而纯水的参考声压为
M0（1V/Pa,把已知数据带入式（7中可解出M=316V/Pa.
根据水听器的输出电压e,可以计算出被测的水声声压为
P=
M
（8
对于平面波,声强为
I=12P2
（9
水的密度,取=1000kg/m3
;
C声波在水中的传播速度,取C=
1500m/s.
2管道内泄漏声信号的特性
21泄漏声信号的频率特性
泄漏声波频率与管道内的压力和漏孔大小、形状有关.漏水频率范围一般在16~20kHz,因此,漏水声波的振幅比较大.由于漏水点情况不一致,泄漏声波强度和泄漏声波频率在整个泄漏过程中也不同.泄漏声波都有一个从产生到结束的平均周期,在该周期中包括泄漏的不同阶段,每个
阶段的频率特性不同[3]
.检测声波的传感器所接收到的泄漏声信号大多分布在某一频段,一般低于2kHz.本文采用的CS3水听器接收频率的范围是001~150kHz,符合漏水声信号的频率特性.22泄漏声信号的衰减特性
声波衰减是当声波传播时,由于实际的传播媒质总是非理想的流体而引起的随着传播距离的增加声波强度逐渐减弱的物理现象.声波的衰减说明产
生了声能转变为热能的耗散过程[4]
.在介质黏性的作用下,声波沿着传播方向逐渐衰减,表现为速度振幅越来越小,且随着波长的增大,声波的衰减减缓.
3实验方法与结果
184沈阳工业大学学报第33卷
直径是48mm,长为25m,在管道上有5个安放管内听音传感器的位置,有11个4mm规则圆形钻孔用于模拟管道上的泄漏点.管道试验原理如图1所示
.
图1管道泄漏检测原理图
Fig1Detectionprincipleforpipelineleakage
图中仅截取了试验供水管道的一段,在该段上有3个泄漏点,其距离如图1所示.为了模拟实际管道运行状况,用手动试压泵将水加压至15MPa,信号采样频率为2205kHz,将CS3型水听器安装在固定位置,水听器的另一端连接到计算机,利用计算机的声卡将采集到的泄漏声信号转换为数字信号送到计算机来处理.由声音分析处理软件记录管道泄漏声信号,等待后续处理.
31管道泄漏声信号的频谱特性
取管道中的一个泄漏点发生泄漏时所采集到的未经调理的混有某些特殊频率噪声和干扰的信号,其波形图和频率特性如图2所示
图2泄漏过程波形图
s由图2a可知,管道遭受破坏时声波时域信号幅值较大,振动明显,且存在不同频率的振动.声波在1s附近发生瞬间的泄漏,声波振动的幅度达到峰值;
在2~4s之间,管道处于稳定泄漏状态,波形呈现周期变化;
在4s以后,管道处于末端泄漏状态,管道内的压力逐渐减小,声波的振动幅度也随着变小.
用MATLAB对图2a波形进行频谱分析,结果如图2b所示.由图2b可知,泄漏的信号由高频成分和低频成分组成,分别在1Hz附近、20~30Hz和60~70Hz之间.不同泄漏时刻的信号在频域中能量相对集中,均存在峰值,只是位置不同,从频谱图中仅能得到不同泄漏时刻的能量主要集中的频段,无法得知某种频率分量具体发生在哪个时刻.当泄漏信号受到干扰时,干扰噪声频率成分和泄漏声信号频率成分将叠加在一起.为了准确分析稳定泄漏时管道内声波的特性,将图2a中2~4s之间稳定泄漏的波形提取出来,滤去干扰和噪声信号,提取后的稳定泄漏信号和频谱特性如图3所示.
图3稳定泄漏过程波形图
Fig3Waveformsofstableleakageprocess
当管道稳定泄漏时,泄漏波形的振动具有一
定规律性,存在明显的振动起始和振动衰减的过,s.由图可知,稳
185
第2期杨理践,等:
定泄漏声信号幅度峰峰值约为08V,由于CS3水听器内部附有一个10倍的前置放大器,因此,实际信号的峰峰值约为008V.由图3b可知,稳定泄漏声波信号在管道中传播的频率主要集中在60~70Hz这一低频范围内,说明在1Hz附近和20~30Hz范围内的信号为干扰噪声信号.
通过对管道泄漏声波在不同阶段进行分析,说明实验结果中泄漏声波的频率特性与理论上的频率特性相符合.
32管道泄漏声信号的衰减特性
液体在管道中传播时,由于液体本身的粘性对声波的传播有阻碍作用,因此,发生声波的衰减[5]
.声波在液体管道内部传播时,声强的衰减为
[6]Iq=Ie-n
（10
Iq距离泄漏声源q处的声强;
I管道泄漏声源处的声强;
衰减系数;
n泄漏点到传感器的距离.由式（8、（9可得电压与声压、声压与声强的关系,因此,可以将实验测得的电压值直接换算成相应的声强值,根据不同位置的声强值得到泄
漏声波的衰减规律[7]
试验时对管道上的11个泄漏点分别采集了数据来计算声强,多次计算取平均值,使计算更精确,误差更小.当传感器的位置为D,管道压力为05MPa时,在11个泄漏点分别采集到稳定泄漏和末端泄漏的电压输出值如表1、2所示.
表1稳定泄漏数据采集表Tab1Collecteddataforstableleakage泄漏点D点有效输出值/V
声强/（Wm-3
10066114585200677152993006861570940070316497500721173536007401827970076219382800786206229008102190110008032152411
00792
20939
根据表1、2计算出的每个泄漏点的声强值进行拟合,得到稳定泄漏和末端泄漏的衰减特性曲
线.
表2末端泄漏数据采集表
Tab2Collecteddataforendleakage
泄漏点
D点有效输出值/V
100352004136200369504557300384004922400391005103500405005475600423005972700431506215800443506889900465007217100045750698611004420
06521
图4衰减波形图Fig4Attenuationwaveform
由图4可知,不同泄漏阶段的不同频率声波在
管道中的衰减特性不同,距离传感器越远声强则越小
[8-9]
即随着声波传播距离的增加,声强作指数衰
减,斜率为衰减系数.将采集到的数据带入式（10中,计算出稳定泄漏的衰减系数1=0
0852dB/m,末端泄漏的衰减系数2=0066dB/m,1>
2,因此,斜率较大的是稳定泄漏的衰减波形,斜率较小的是末端泄漏的衰减波形.根据以上分析,说明低频声波信号比高频声波信号在管道中传播衰减慢
[10]
同时传播的距离也比高频信号的传播距离
远,与管道泄漏声波的衰减理论相符.
4结论
通过对供水管道泄漏声信号进行采集试验及对试验结果进行分析,得出了管道泄漏过程中声波信号各部分的特征.稳定泄漏频率主要集中在60~70Hz低频范围内,稳定泄漏和末端泄漏的186沈阳工业大学学报
第33卷
结果表明,本文方法对管道泄漏声波信号的特性描述是正确的,利用管内听音检测对供水管道的泄漏声信号进行检测是可行的.
实际中,稳定泄漏信号和末端泄漏信号所选取的时间段是根据泄漏信号波形图在不同时间具有的不同状态来选取的.本文是在供水管道的管径、管内压力和泄漏孔径一定的前提下得到的实验结果,如果管道的管径、管内压力和泄漏点的孔径发生改变,其泄漏声波的频率也会随之改变.
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