基于音波的復(fù)雜環(huán)境泄漏點(diǎn)檢測算法

，，，

(1.海軍駐上海江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司軍事代表室，上海 201913；2.中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

液體管道發(fā)生泄漏時(shí)，管道內(nèi)液體從破裂點(diǎn)流出，使得管道內(nèi)液體的流動(dòng)參數(shù)發(fā)生變化。泄漏位置液體密度減小，壓力降低，泄漏位置兩邊相鄰區(qū)域的液體在壓差的作用下向泄漏位置補(bǔ)充，從而使得泄漏位置相鄰區(qū)域內(nèi)的液體密度減小，壓力降低，進(jìn)而更遠(yuǎn)處的液體向泄漏位置相鄰區(qū)間補(bǔ)充。這種傳播過程依次向管道上下游進(jìn)行，從而形成音波在管道內(nèi)傳播。安裝在管道兩端的兩個(gè)音波傳感器監(jiān)聽并采集音波傳來的音波信號(hào)，判斷管道是否發(fā)生泄漏。判斷泄漏以后，根據(jù)音波到達(dá)不同位置傳感器的時(shí)間差，計(jì)算出泄漏點(diǎn)的具體位置。

目前管網(wǎng)泄漏檢測方法分為硬件檢測方法和軟件檢測方法。硬件檢測包括：光纖檢測[1]、聲發(fā)射技術(shù)法[2]、氣體成像、探地雷達(dá)、管內(nèi)探測球法[3]、GPS時(shí)間標(biāo)簽法[4]等。軟件檢測法是一種對(duì)參數(shù)實(shí)施檢測并計(jì)算的動(dòng)態(tài)方法，處理算法主要是時(shí)/頻域算法[5]，包括狀態(tài)空間法、系統(tǒng)辨識(shí)法、瞬態(tài)模型和質(zhì)量平衡法[6]等。當(dāng)檢測到管道泄漏后，需要對(duì)管道泄漏的位置進(jìn)行定位，稱之為管道泄漏定位技術(shù)，根據(jù)管道的形狀不同，定位技術(shù)也不盡相同。管道泄漏定位的技術(shù)有：負(fù)壓波法、壓力梯度法、小波變換法[7-8]、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[9]和模式識(shí)別的方法[10]、自適應(yīng)濾波[11]的方法等。

在應(yīng)用中，主要工作為檢測泄漏所產(chǎn)生的音波，并計(jì)算各個(gè)采集點(diǎn)音波到達(dá)的時(shí)間差。音波采集設(shè)備存在采樣頻率低、信號(hào)采集后有拖尾效應(yīng)以及采集的動(dòng)態(tài)范圍固定，會(huì)產(chǎn)生截止失真，導(dǎo)致音波的起始點(diǎn)檢測難度加大。由于應(yīng)用中的液體傳輸管道為“日”字形或“目”字形，音波在通過彎頭或閥門時(shí)會(huì)有影響，因此，要設(shè)計(jì)適用的泄漏點(diǎn)檢測算法難度較大。

1 泄漏信號(hào)檢測

由于受到噪聲、回波、傳感器動(dòng)態(tài)范圍和精度的影響，要想準(zhǔn)確計(jì)算出音波的時(shí)間差難度較大。噪聲和回波使音波檢測器檢測的音波發(fā)生波形疊加，致使原始波形失真，因此，使用起始點(diǎn)檢測法難度較大。實(shí)際測量表明，波形會(huì)發(fā)生截止失真、量化失真和拖尾，受傳感器動(dòng)態(tài)范圍和精度的影響，對(duì)波形的量化失真尤為突出。圖1為傳感器音波圖。

1.1 泄漏檢測算法

當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí)，管網(wǎng)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生音波，通過檢測到音波判斷泄漏的發(fā)生，然后根據(jù)波形來估計(jì)參數(shù)。沒有泄漏時(shí)，由于管網(wǎng)內(nèi)存在環(huán)境噪聲，音波傳感器采集的音波數(shù)據(jù)強(qiáng)度基本處于平滑狀態(tài)，但具有微小的波動(dòng)。泄漏發(fā)生后，產(chǎn)生的音波傳輸?shù)絺鞲衅鳎瑪?shù)據(jù)強(qiáng)度具有明顯的上升并在到達(dá)波峰后下降，經(jīng)過幾個(gè)振幅逐漸減小的周期后，趨于平滑狀態(tài)。

判斷泄漏的常用做法，當(dāng)音波強(qiáng)度信號(hào)大于泄漏閾值時(shí)，則認(rèn)為管道發(fā)生泄漏，其中值根據(jù)實(shí)際環(huán)境噪聲情況進(jìn)行調(diào)整。為了使泄漏檢測更加準(zhǔn)確，使用幅值累加差分均值法，其公式為

(1)

1.2 音波時(shí)間差計(jì)算

聲波在液體中傳播，液體屬于阻尼介質(zhì)，聲波在阻尼介質(zhì)的傳播方程為[12]

p=ρ0e-αxej(wt-k0 x)

(2)

式中：p為聲壓；w=2πf；k0=w/c0；α為媒質(zhì)的阻尼吸收系數(shù)，是描述音波振幅隨距離衰減快慢的一個(gè)物理量；ρ0為介質(zhì)密度；w為角速度；f為聲波頻率；c0為聲波傳播速度；x為聲波傳播距離；k0為無阻尼波的波數(shù)。從式(2)可見，研究泄漏音波信號(hào)的傳播特性首先要分析其頻域特性，主要是各個(gè)頻率分量所占的比率。由于音波信號(hào)起始部分為瞬變信號(hào)，傳統(tǒng)的頻譜分析法不適合，因此，采用單自帶改進(jìn)分解和重構(gòu)的小波分析法來對(duì)泄漏音波進(jìn)行頻率分析。選取小波基為sym5小波，尺度為12，子帶范圍為(0,0.366)，(0.366,0.732)，(0.732,1.465)，(1.465,2.93)，(2.93,5.86)，(5.86，11.72)，(11.72,23.44)，(23.44,46.88)，(46.88,93.75)，(93.75,187.5)，(187.5,375)，(375,750)，(750,1500)分析，得到各子帶能量輸出占總能量比在不同壓力下的分布見圖2。

由圖2可見，泄漏音波主要能量分布在(0,0.366)和(23.44,46.88)子帶，而且壓力變化對(duì)子帶能量輸出占比影響不大。對(duì)于復(fù)合頻率的信號(hào)，使用曲線擬合主要有：多項(xiàng)式擬合、冪函數(shù)擬合和指數(shù)函數(shù)擬合。根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)計(jì)算各種擬合函數(shù)得到的誤差見表1。

表1 擬合函數(shù)誤差表

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，冪函數(shù)axb+c平均擬合誤差最小，使用axb+c形式對(duì)泄漏音波曲線進(jìn)行擬合。設(shè)x0為波形泄漏起點(diǎn)時(shí)間，也是擬合的起點(diǎn)。x1為擬合原始波形終點(diǎn)的時(shí)間，也是擬合曲線的終點(diǎn)，y1為擬合原始波形終點(diǎn)幅值。當(dāng)x=x0時(shí)，y=0；x=x1時(shí)，y=y1，最終擬合算法公式為

(3)

通過擬合一部分原始波形找到合適的擬合曲線，根據(jù)100組實(shí)驗(yàn)得出擬合波形的參數(shù)，通過擬合一部分原始波形找到一個(gè)合適的擬合曲線。參數(shù)是通過實(shí)驗(yàn)得到。擬合示意見圖3。

圖3中實(shí)線為原始波形，虛線為擬合的曲線，通過反推找到突變點(diǎn)。

2 泄漏定位

低音頻音波傳播距離較遠(yuǎn)，若管道直徑較大，則管道壁對(duì)音波的速度的影響較小，音波的傳播與在開闊地傳播情況基本一樣。圖4為泄漏定位原理圖。

音波探測傳感器N1安裝在點(diǎn)A，傳感器N2安裝在點(diǎn)B，AB之間的距離為LAB。點(diǎn)O為AB中點(diǎn)，點(diǎn)X為假設(shè)的管道上任意一處泄漏點(diǎn)；v為音波在管道內(nèi)的傳輸速率；TA為音波傳感器N1接收到的時(shí)刻；TB為音波傳感器N2接收到的時(shí)刻；TX為泄漏點(diǎn)泄漏時(shí)刻。為了求出LAX和LBX的長度(LAX為泄漏點(diǎn)距離A端長度，LBX為泄漏點(diǎn)距離B端長度)，假設(shè)t1為泄漏點(diǎn)音波傳輸?shù)紸端N1的時(shí)間，t2為泄漏點(diǎn)音波傳輸?shù)紹端N2的時(shí)間，v0為泄漏點(diǎn)音波的傳播速度，則

(4)

(5)

LBX=LAB-LAX

(6)

將式(6)代入式(5)，得

(7)

將式(4)等號(hào)兩邊減去式(7)等號(hào)兩邊，得

(8)

將式(8)化簡得

(9)

LBX=LAB-LAX

(10)

由式(9)得

(11)

由于管道內(nèi)音波傳輸速率與管道通徑、剛度、流體速度、密度、管道內(nèi)滯留氣體均有關(guān)系，與理論音波速率相差較大。擬采用人工模擬泄漏方法按式(11)測得實(shí)時(shí)音波速率，用實(shí)時(shí)音波速率對(duì)式(9)的理論音波傳輸速率進(jìn)行修正，最終獲取泄漏點(diǎn)位置。

3 實(shí)驗(yàn)分析

傳感器數(shù)字化量12 bit量化，采樣率為500 Hz。試驗(yàn)管道內(nèi)為水成膜泡沫液體，密度為1.02 g/cm3，實(shí)驗(yàn)管道內(nèi)徑為32 mm，壓力為0.3 MPa，管道模型圖見圖5。

3.1 單管道實(shí)驗(yàn)

將AF管道、BE管道、CD管道以及FH管道切斷，使整個(gè)外環(huán)管道形成一條未封閉的單管道，管道示意圖見圖6。

其中，泄漏點(diǎn)如圖6所示，B、C、D3個(gè)傳感器幾乎在同一處，距離A傳感器50 m左右，通過實(shí)驗(yàn)計(jì)算出A和B、C、D傳感器時(shí)間差，見表2。

表2 A和BCD傳感器時(shí)間差

由表2得出，B、C、D和A傳感器時(shí)間差最大誤差差值為4 ms；最大誤差距離為2.8 m，誤差百分比為5.6%；傳感器采集頻率為2 ms，最大誤差在2個(gè)采集點(diǎn)，如果提高采集頻率，則泄漏點(diǎn)距離誤差會(huì)進(jìn)一步縮小。

3.2 “目”型管道實(shí)驗(yàn)

將AF管道、BE管道、CD管道接通，只切斷FH管道，使整個(gè)管道形成一條未封閉的“目”型管道，管道示意圖見圖7。

其中，泄漏點(diǎn)如圖7所示，B、C、D 3個(gè)傳感器幾乎在同一處，距離A傳感器最遠(yuǎn)50 m左右，最近15 m左右，通過實(shí)驗(yàn)計(jì)算出A和B、C、D傳感器時(shí)間差，見表3。

表3 A和BCD傳感器時(shí)間差

由表3得出，B、C、D和A傳感器時(shí)間差最大誤差值為6 ms，最大誤差3個(gè)采樣點(diǎn)間隔，平均誤差為0.8個(gè)采樣點(diǎn)(開闊水中音波速度為1 450 m/s，對(duì)應(yīng)定位誤差最大為8.7 m，平均誤差為2.32 m)。

通過以上試驗(yàn)可以看出，本算法對(duì)單管道的泄漏檢測和定位誤差比“目”型管道小。“目”型管道由于環(huán)路較多，音波傳遞的行程多于1條，導(dǎo)致誤差相對(duì)較大。

4 結(jié)論

1)如果傳感器通道的諧波干擾(約12 Hz)能夠消除，則泄漏點(diǎn)檢測方法精度更高。因?yàn)楦蓴_小，算法可以從曲線突變的根部進(jìn)行判斷。

2)如果干擾不可避免，而且嚴(yán)重影響曲線突變點(diǎn)的判斷，要做一個(gè)擬合曲線的算法，能夠避免干擾曲線帶來的錯(cuò)誤，但因?yàn)槭チ酥苯訌那€突變的根部進(jìn)行判斷的有利條件(被干擾曲線淹沒)，只能根據(jù)大于諧波干擾幅值的地方取點(diǎn)擬合曲線，然后反推到突變點(diǎn)，誤差相對(duì)比較大(增加一倍左右)。

3)采樣頻率較低也是精度不高的一個(gè)重要原因，在曲線突變后的上升段，只有幾個(gè)采樣點(diǎn)，曲線的擬合也很難做好，只能做一些近似的假設(shè)。