基于聲學實時監測的卵石運動數量研究

楊勝發,閆路遙,張 鵬,田 蜜

(1. 重慶交通大學 河海學院，重慶 400074； 2. 重慶交通大學 國家內河航道整治工程技術研究中心，重慶 400074)

0 引 言

推移質運動規律一直是河流演變規律、河流開發利用以及航道建設維護等理論與工程實踐中研究的重點和難點，如三峽水庫庫尾在消落期隨著壩前水位下降，航槽出現陣發性；難預測的卵石輸移量劇增導致礙航，引發船舶擱淺、沉船等海事事故[1-2]。由于庫尾水沙耦合運動的復雜性以及卵石輸移原型觀測技術的限制，對大尺度天然河流的卵石運動時間、空間分布以及輸移強度的理論預測和原型實時追蹤觀測均非常困難。原型觀測是獲取研究對象變化過程的直接證據，對推移質運動規律的研究有重要意義。

目前較為成熟的推移質采樣方法有坑測法、采樣器法等，其中尤以采樣器法應用較為廣泛。定時采樣的方法操作步驟繁瑣，測量條件嚴苛，且不易把握轉瞬即逝的卵石集中輸移時間段，不利于隨機性較強的三峽庫尾卵石輸移特性的研究，需要探索更有優勢的卵石推移質原型觀測方法。聲學法可以利用卵石的聲音特征來研究其運動特征[3]，相比于傳統的原型觀測方法具有可連續、長周期、時空間同步監測等特點，能夠對特定時間段的卵石輸移全過程加以監測，并通過對應算法研究其輸移規律。國外研究機構對于聲學法的研究起步較早，D. RICKENMANN等[4]、 J. BOGEN等[5]都通過不同聲學設備研究推移質的輸移規律，且取得了一定的成果，驗證了聲學法在研究推移質輸移規律上的可行性。國內對于聲學法的研究起步較晚，并無成熟的推移質聲學觀測系統。

對卵石輸移規律的研究迫切需要更加精準的卵石輸移觀測設備。筆者團隊探索基于聲學法的卵石推移質原型觀測技術，以期實現對三峽庫尾典型灘段卵石輸移的動態觀測并研究其運動規律。聲學觀測技術通過卵石碰撞的音頻特征來監測輸移過程，其主要觀測流程包括音頻獲取、音頻分析、輸移規律分析。音頻分析是將卵石音頻信號與卵石運動特征聯系起來的重要環節，筆者采用水槽試驗研究卵石運動音頻預處理方法，分析卵石碰撞次數與卵石運動數量的關系，建立了卵石碰撞次數隨水流流速變化的經驗公式，為聲學法卵石輸移原型觀測提供一定的理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗水槽

水槽試驗在大型水沙運動試驗系統中開展。水槽全長70 m，寬1 m，高2 m，最大流量為1 000 L/s，最高水位為1.2 m，底坡為0。水槽下設2.3 m×1.5 m基礎，上部為鋼結構支撐及鋼化玻璃水槽，側板與底板為玻璃材質。

水槽除主體結構外還包括地下水池、水泵、電磁流量計、變頻器等供回水系統，且配備有專用的水槽流量控制軟件，能通過計算機對水泵變頻器的頻率進行調節。為模擬天然卵石運動的場景，水槽內鋪設有接近典型灘段級配的卵石床面，且流量最小波動幅值為0.1 L/s，能夠較為準確地模擬天然場景，以提高試驗的準確性。

1.2 卵石運動音頻實時采集系統

筆者所用卵石運動聲學采集設備通過被動聲學法采集卵石碰撞到設備面板的音頻。設備主要由面板、水下拾音器及信號傳輸線纜等組成(圖1)。設備尺寸為600 mm×600 mm×100 mm，最大工作水深為30 m，音頻頻率響應20 Hz～20 kHz，卵石最小響應粒徑為10 mm。卵石碰撞音頻信號的峰值頻率在1 400～4 000 Hz之間，基音頻率在2 000～3 800 Hz之間，所用卵石運動音頻實時采集系統的采樣頻率設置為16 kHz，能夠滿足采集要求，保證音頻信號具有保真性。

圖1 設備構造及水槽試驗布置Fig. 1 Equipment structure and flume test layout

卵石運動聲學采集設備依靠卵石撞擊設備面板的音頻信號來對卵石輸移過程進行監測，因此在布置設備時，應保持設備上面板與床面相平，以保證卵石的順利通過。緊挨設備上游方向布置有可升降托盤，能夠在不影響水流條件的情況下投放卵石；下游方向布置有卵石回收槽，可對試驗卵石進行回收。

1.3 試驗布置與工況

試驗用卵石樣本采用長江變動回水區河段天然卵石。由于長江上游典型灘段卵石粒徑一般在20～200 mm[6]，因此選取等容粒徑為20、40、60、80、100 mm的5種規格卵石樣本進行試驗，每種粒徑卵石選取30顆，共計150顆。

試驗中水流條件根據預試驗結果而確定。因床面鋪設有一定厚度卵石，水流流量較小時水深不足以淹沒設備且流速較小時托盤上方的卵石不易起動；水流流量較高時，設備上游方向的床面卵石大量起動，對試驗段音頻采集造成干擾；根據預試驗，確定試驗水流最小流量不小于150 L/s，最大流量不超過700 L/s。筆者首先研究卵石碰撞次數與卵石本身尺寸特征的關系，流量級選定400、500、600 L/s，卵石運用上述5種規格卵石。之后，選擇卵石規格為60 mm，在200～600 L/s選定5個流量級，研究卵石碰撞次數與水流流速的關系。

2 結果與討論

2.1 卵石運動音頻預處理方法研究

卵石運動音頻采集設備獲得的音頻信號并不能直接用來提取卵石運動特征，需要對原始信號進行降噪、分幀、加窗等預處理操作。

目前較為常見的音頻降噪方法有自適應濾波、維納濾波、譜減法等。自適應濾波和維納濾波適應性強，對復雜噪聲的處理能力較好，但需要已知的參考噪聲源。譜減法是利用噪聲的統計平穩性以及加性噪聲與語音不相關的特點而提出的一種語音增強方法[7]。這種方法無需單獨提供噪聲源，而是認為噪聲是統計平穩的，即含噪聲語音信號的噪聲幅度譜的期望值與無語音信號噪聲的幅度譜的期望值相等。用無語音信號間隙測量計算得到的噪聲頻譜的估計值取代有語音期間噪聲的頻譜，與含噪語音頻譜相減，從而達到降低加性噪聲的目的。

卵石運動聲學采集設備獲得的聲音信號通常包含水流噪聲或外部環境干擾產生的設備電流噪聲，這些噪聲特征固定，可以看作是一種統計平穩的加性噪聲。通過對比分析，采用譜減法對設備采集信號進行濾波效果要優于自適應濾波、維納濾波，效果如圖2，時域信號的信噪比得到提升，頻域信號的純凈度得到提升。

圖2 譜減法降噪效果前后對比Fig. 2 Comparison of noise reduction effect before and after spectral subtraction

分幀能夠將非穩態、時變的音頻信號轉化為“準穩態”信號，隨后利用信號的“短時分析技術”進行分析。一般來說，人發出的語音信號是由緩慢的肌肉運動產生，所以幀長10～30 ms的信號即可認為是“準穩態”信號[7]。但文中涉及卵石的碰撞音頻信號由卵石撞擊鋼板產生，信號變化程度會較劇烈，因此取幀長為5 ms，以提高信號的穩態。

加窗是為了解決音頻信號分割幀數較多時與原始信號的誤差較大的問題。可使成幀后的信號變得連續，且每一幀信號都會表現出周期函數的特性。信號的窗函數有多種，其中海寧窗具有較好的頻率分辨能力和較低的頻率泄漏，因此卵石碰撞音頻信號較適宜使用海寧窗作為窗函數。

2.2 卵石運動音頻信號端點檢測參數確定

語音信號端點檢測一般是指將一段語音信號中的有聲片段和無聲片段進行分割，或者說將未能完全去除的噪聲片段與有效信號段進行分割，再針對有聲片段，對語音的某些特征進行研究。但在卵石音頻信號的分析中，不僅要將音頻信號的有聲段識別出來，還需要做到準確分離出卵石的每次碰撞片段，以便計算卵石的碰撞次數及對相應片段音頻特征進行分析?？紤]到卵石的單次碰撞均伴隨能量變化，此處能量指的是音頻信號的短時平均能量，即一幀樣點值的加權平方和[8]，以無量綱的幅度表示其大小。經譜減法處理后的音頻信號噪聲能量相比卵石碰撞信號能量要小得多(圖3)，因此可根據卵石單次碰撞的能量增長幅度來設定閾值以進行卵石碰撞信號的甄別，即當有新的音頻信號產生時，對應時段音頻能量會增加，若此能量增加值高于閾值，則視為有新的卵石碰撞活動產生，低于此閾值的音頻能量視為由殘留噪音產生，該閾值利用水槽試驗得出。

圖3 卵石碰撞聲音信號的能量變化過程Fig. 3 Energy variation process of sound signal of pebble collision

按照前述試驗布置進行試驗并得到樣本卵石的運動音頻后，首先通過人工篩聽的方法將單次碰撞信號的片段提取出來，再對有效片段進行處理得到其單次碰撞的短時能量變化，從中提取單顆卵石單次碰撞音頻能量增長幅度的最小值。對3種試驗工況(表1)下150顆不同粒徑卵石的音頻能量增長幅度最小值分析結果(同粒徑結果取均值)如圖4。

表1 試驗工況Table 1 Test conditions

圖4 不同粒徑卵石有效碰撞最小能量幅值Fig. 4 Minimum energy amplitude of effective collision of pebbles with different particle sizes

由圖4可以看出，卵石的運動音頻能量隨水流流速和粒徑的增大有增加的趨勢，且粒徑越大，水流流速對其能量的增幅越明顯。對于粒徑為20 mm的卵石，不同水流流速下其音頻能量幅值較為接近，受流速影響較小，可取三者平均值作為最終判別閾值，即音頻能量高于0.004的即為卵石碰撞信號，低于0.004的視為噪聲信號。在有效碰撞判別閾值確定的情況下，即可對卵石音頻信號建立對應的檢測算法，以識別原始音頻信號中的卵石碰撞片段。這里將單次碰撞片段以實線表示起始端點，以虛線表示結束端點，卵石的端點檢測結果(即卵石碰撞次數)如圖5(a)。

圖5 基于能量閾值的卵石碰撞端點檢測效果Fig. 5 Endpoint detection effect of pebble collision based on energy threshold

2.3 卵石運動數量計算

端點檢測可識別出運動卵石經過監測設備的碰撞次數，欲要實現對運動卵石數量的計算，還需確定卵石碰撞次數與卵石數量之間的關系。在具有多顆卵石經過音頻采集設備所產生的音頻信號時，若能確定單顆卵石經過設備時的碰撞次數，即可根據總碰撞次數得到運動卵石數量，因此需通過試驗探究卵石與設備碰撞次數的影響因素。

2.3.1 卵石碰撞次數與卵石大小特征關系

根據預先設定的試驗方法，在70 m水槽中進行試驗，得到了3種水流流速下5種不同粒徑卵石的450個卵石運動音頻信號，并對相同實驗條件下的卵石碰撞次數取平均值(表2)。

表2 不同粒徑D的單顆卵石在不同水流流速v下經過設備的平均撞擊次數Table 2 Average impact times of single pebble with different particle size (D) passing through the equipment at different flow velocity (v)

由表2可看出，不同粒徑卵石在同一水流條件下與設備的碰撞次數相近，卵石經過設備的平均撞擊次數與卵石本身大小特征并無較大的相關性。且經過初步觀察，卵石與設備的平均撞擊次數與水流流速具有相關性，水流流速越大，單顆卵石平均撞擊次數越多。

2.3.2 卵石碰撞次數與水流條件關系

由于卵石與設備的碰撞次數與卵石大小特征無明顯的相關性，在探究卵石碰撞次數與水流條件的關系時，選取60 mm卵石作為代表，在200～600 L/s 共5種水流狀況下進行試驗，得到了30顆60 mm卵石在不同水流條件下的150個卵石運動音頻信號，并對相同試驗條件下的卵石碰撞次數取平均值見表3。

表3 不同流速(v)下60 mm卵石經過設備平均撞擊次數Table 3 Average impact times of 60 mm pebble passing through equipment at different velocity

由表3可看出，同一粒徑卵石在不同水流流速條件下撞擊次數不同，撞擊次數隨水流流速的增大而增加，呈正相關關系。對此現象分析認為：卵石在設備上方經過的距離相同，撞擊次數越大，說明卵石的運動形式以滾動為主；撞擊次數越小，說明卵石的移動速度較小時，其運動方式除滾動外，還有撞擊音頻特征不明顯的滑動形式。

綜合分析試驗結果，卵石撞擊次數只與水流流速有關，因此，建立單顆卵石經過設備所產生的有效碰撞次數與水流流速的擬合曲線，如圖6。

圖6 卵石碰撞次數與流速關系Fig. 6 Relationship between pebble collision times and flow velocity

單顆卵石經過設備所產生的有效碰撞次數與流速關系的經驗公式為：

n=5.67×e0.093v+0.13×e5.63v

(1)

式中：n為對應流速下單顆卵石經過設備的碰撞次數；v為水流流速，m/s。

運動卵石數量與卵石碰撞次數的關系為：

(2)

式中：m為卵石顆粒數；N為端點檢測得到的多顆卵石經過設備產生的總碰撞次數；n為當前流量下單顆卵石經過設備的碰撞次數。

3 結 論

1)卵石與設備撞擊產生的音頻能量與卵石粒徑及水流流速呈正相關，且隨卵石粒徑變小，水流流速對其音頻信號能量的影響程度降低。

2)利用新音頻信號輸入時，會產生音頻能量增長的特點，通過試驗確定了20～100 mm運動卵石的能量判別閾值，結合對應算法可從卵石音頻信號中獲取卵石與設備的碰撞次數。

3)卵石在床面運動時與聲學監測設備的撞擊次數與卵石本身粒徑無明顯相關關系，與水流流速呈正相關。通過試驗建立的碰撞次數-水流流速擬合方程，可在水流流速已知的前提下根據卵石運動音頻信號得到運動卵石的數量，達到聲學法監測運動卵石數量的目的。