基于振幅衰减与相关检测相结合的地下管道漏点定位

王小怀，刘秋武

（韩山师范学院物理与电子工程学院，广东潮州 521041）

1 引 言

供水、输油、天然气等各类地下输送管网的漏失问题是涉及节能和安全领域的一个亟待解决的重大难题．据统计，目前全国有一半以上的城市供水管网漏损率高于国家标准规定值，年漏损水量达60亿m3，且呈逐年上升的趋势，造成极大的浪费．而输油、天然气管道的泄漏更是涉及到民众的生命财产安全大问题．防止和降低漏耗非常关键的一个环节就是检漏，因此设计出更加简便、性价比更高、适合普及推广、可以主动检漏的检漏仪具有重大的社会效益和经济效益．

本文以地下水管为对象，采用振幅衰减与相关检测相结合的方法研究如何快速和准确地判断出漏水点的位置．

2 振幅衰减法

2.1 实验装置

实验装置示意图及实物图如图1所示，其中包括灵敏度可校准的拾音探头，计算机采集处理系统，隔音绵，信号线，待测金属水管及水源等．

2.2 实验原理

通水中的水管破裂漏水，水在泄漏处形成一定的冲击声，设漏水声的声强为I，声音波形幅值为A，声音接收器与声源距离为X，在声音传播过程中，声强I发生衰减，声波振幅与传播距离的n次幂成反比关系．在传播距离较短时近似取n=1，即声音接收器至声源距离X与接收到的漏水声振幅A满足以下关系[1]．

图1 振幅衰减法装置示意图及实物图

式中k为比例系数．

在本实验中，设左通道声音波形幅值平均值为A1，右通道声音波形幅值平均值为A2，左探头与漏点距离为X1，右探头与漏点距离为X2．根据式（1），可得

若漏点在两探头之间且两探头间距为d，则漏点与左探头的距离

首先利用高灵敏度的监听装置判断漏点大致位置，尽量缩小漏点搜索范围．至于漏点与两探头的相对位置可用以下方法判断．

1）漏点在中间：两探头相互靠近时收集到的信号幅值都在增加．

2）漏点在左探头左侧：两探头相互靠近时，左探头收集的信号幅值减小，而右探头收集的信号幅值增大．

3）漏点在右探头右侧：两探头相互靠近时，右探头收集的信号幅值减小，而左探头收集的信号幅值增大．

利用labview软件设计漏水声信号实时采集及处理程序[2]，记录漏水声的波形及幅值，如图2．

2.3 实测结果及分析

给待测水管通水，两探头间距d取2 m，漏点位于两探头之间且距右探头1.3 m，启动程序采集左右探头的振幅波形，自动统计30 s时间里各通道的幅值平均值，利用式（3）定出漏点位置．图3是信号采集系统及处理结果截图，测量数据如表1所示[3]．

从实测结果看，与漏点实际位置偏差仅0.028 m，相对误差2.2%，定点精度较高．

振幅衰减法方法简单，能实现实时快速定位，但应用过程中受到探测距离的制约．距离太大时声音的衰减偏离线性规律，定点误差大；距离过短时则衰减不明显，无法准确定点．另外，即使经过校准，两个拾音探头的灵敏度仍会有一定差异，势必对完全依赖振幅进行定位的振幅衰减法带来影响．当便捷的振幅衰减法出现定位困难或定位精度要求更高时可结合相关识别进行检测．

图2 漏水声波信号实时采集及处理程序图

图3 信号采集系统及处理结果

表1 漏点与右探头的实测数据

3 相关检测法

3.1 实验装置

实验装置示意图见图4．

3.2 实验原理

设漏水声分别传播至左、右探头的时间差为t，两探头间距为d，声波在水管中的传播速度为v，则左探头与漏点距离

利用Cool Edit软件采集左右探头的漏水声信号，利用Matlab软件编程进行分析，找出两通道间相关程度最好的段落，计算出两者的延迟时间t．系统采样频率为f，则抽样间隔T=1/f．若测得两通道相差n个抽样间隔，则延迟时间

声波在水管中的传播速度v通过定标得出．方法是定点敲击水管壁，记录两个通道所获取的敲击声波形．利用敲击声幅度大，持续时间短的特点，识别出两波形的相位并测出时间差t，再结合已知的探头间距和敲击点位置，利用式（4）测出v．图5为d取2 m，敲击位置距离左探头0.5 m时所采集到的波形，其中左通道波形明显超前．实验中，采样频率为88.2kHz，测出右通道波形延迟18个抽样间隔，则延迟时间[4]

图4 相关检测示意图

可求得声波在水管中的传播速度v为4 902 m/s．

图5 敲击声波形图

3.3 实测结果及分析

两探头间距d取2 m，漏点距左探头实际距离0.5 m，采用相关法进行漏点检测．图6为漏水声整体波形图．图7是通过程序反复筛选后截取的两通道相关性最高的一段波形图，长度n为80个样点．其中左通道相关范围为1 381～1 461，右通道相关范围为1 400～1 480，两者的相关性测量值为0.934 39，右通道比左通道延迟了19个抽样间隔．

图6 漏水声波形图

图7 相关性最高的一段波形

由式（5）求得两通道时间差t=0.000 215 s，代入式（4）得出漏点与左探头的距离X1=0.473 m，与实际位置接近．

理论上，相关检测法的测量误差Δ与采集波形时的抽样频率f及声波在水管中的传播速度v满足的关系，可见抽样频率越高，定位精度也越高．就本实验所采用的88.2 kHz采样速率而言，定位误差仅为0.056 m，完全可满足实际应用的需要[5]．

4 结束语

采用振幅衰减与相关检测相结合的方法能适用不同的探测环境和不同的检测对象．不仅可用于地下供水管道的检漏，同样也适用于输油管道、燃气管道的漏点检测．考虑到实际应用中大范围、长距离的检测需要，还可借助无线传播技术，将采集到的两路信号调制后以无线电方式发送至接收装置，解调后再进行相关识别处理．

该检漏系统装置简单，外出携带方便，系统人机界面交互性好，操作简易，检测对象广，性价比很高．漏点定位速度快、精度高，完全能满足实际应用的需要．该定位方法独具创造性，已于2017年11月7日获得国家发明专利（专利号：ZL201610250216.2）授权，具有很高的实用价值和社会效益．

[1]朱鹤年．物理测量的数据处理与实验设计[M]．北京：高等教育出版社，2010：64-71．

[2]李卓凡，王小怀．超声多普勒效应实验装置的设计与应用[J]．实验技术与管理，2011，28（8）：60-63．

[3]孙爱晶，刘毓，马贺洲．基于LabVIEW的声卡数据采集及滤波处理设计[J]．自动化与仪表，2009（5）：45-47．

[4]李网宝，吴云波．利用相关仪测定管道传声速度的两种方法[J]．城镇供水，2006（3）：32-33．

[5]陈月娥，王永琦．供水管道常用检漏方法与仪器[J]．黑龙江科技信息，2010（20）：234．