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塑料配水管道泄漏信号的声学特性

摘要

在该研究中，对在实验现场的受控条件下模拟的几种类型的泄漏研究了塑料管中泄漏信号的声学特性。调查包括将声音或振动信号的频率含量表征为泄漏类型，流速，管道压力和季节，衰减率的确定以及传播速度随频率的变化的函数。本文提供的有关泄漏信号声学特性的信息将有助于泄漏检测专业人员选择合适的仪器，设计适当的测量程序，并在传播速度的情况下，使用交叉检测准确定位泄漏相关方法。

1.简介

在许多配水系统中，由于配水管泄漏，会损失大量的水。为减少水的流失，系统操作员执行系统程序来定位和修复泄漏。声学泄漏检测设备通常用于定位泄漏。最初，听音棒和听音机用于检测由漏水引起的声音，方法是将它们与管道或其附属物直接接触，例如，消防栓或控制阀。然后使用地面麦克风通过听取水管正上方的路面或土壤上的泄漏声来查明可疑泄漏。泄漏噪声相关器是最先进的基于计算机的设备，也可用于准确查明可疑泄漏的位置。几种声学泄漏检测设备是可商购的。

过去已经广泛证明了现有声学泄漏检测方法和设备的有效性，例如，Fantozzi [1]，Fuchs [2]和Liston [3]。通常，大多数用户认为声学方法是令人满意的。然而，这仅仅是这些方法用于金属管的情况。对于塑料管道，声学方法的有效性尚未确定或记录。因此，大多数用户对塑料管中泄漏定位的准确性持怀疑态度，因为在使用声学设备定位泄漏时通常遇到的问题在塑料管的情况下更不利。这些问题包括来自道路交通或其他来源的干扰信号，过度的信号衰减以及仪器的灵敏度不足。

鉴于这些管道在配水系统中的日益广泛使用，缺乏关于塑料管道声学泄漏检测方法的有效性的信息是令人震惊的。这促使美国水协会研究基金会（AWWARF）和加拿大国家研究委员会赞助的一项研究项目评估了塑料配水管道泄漏检测方法的有效性。该项目产生了几个关于测量和分析程序的结果和建议，以成功定位塑料管道中的泄漏[4]。在本文提出的部分研究中，研究了塑料管道泄漏信号的声学特性。这些包括泄漏信号的频率成分，衰减率和传播速度随频率（或色散）的变化。需要有关这些特性的信息来选择适当的仪器和测量程序，并且在传播速度的情况下，需要通过相关方法准确确定泄漏位置。在本研究中，基于特殊构造的实验泄漏检测设施的reg;测试确定了声学特性。

2.测试现场和测量程序

2.1 泄漏检测现场

测试在位于加拿大渥太华国家研究委员会（NRC）校园的实验场地的泄漏检测设施进行。该设施由直径150毫米的PVC管组成，长约200米。按照正常的施工程序，将管道埋在2.4米深的软粘土中。测试设施的平面图如图1所示。可以在实验设施中模拟几种类型的泄漏。如图2所示（在返回之前），泄漏包括来自维修连接，接头故障和管道破裂的泄漏（不幸的是，破裂的管道在返回后很快就会坍塌）。可以调整和测量泄漏率和管道压力，以模拟各种操作条件。泄漏检测传感器，例如加速度计或水听器，可以连接到与测试管的各种接触点，包括两个相距约100米的消防栓，以及几个19毫米铜管服务连接。后者还可用于模拟住宅连接处的水消耗引起的干扰噪声。

图1.实验泄漏检测设施的平面图

2.2 泄漏传感器

振动和声学传感器都用于测量试管中的泄漏信号。对于振动测量，使用具有1V / g灵敏度的压电加速度计。如图3所示，加速度计磁性地连接到消防栓的顶部表面，而后者用水加压。对于声音测量，灵敏度为0.447 V / kPa（44.7 V / bar）的水听器连接到如图4（a）所示的维修连接或通过特殊管道连接到消防栓，如图4所示。图4（b）。来自传感器的信号通过100米长的电缆传输到记录仪器。

2.3 测量程序

来自传感器的泄漏信号同时记录在16位数字磁带录音机上，无需调节，持续时间为5分钟。然后以模拟形式在现场回放记录的信号，并使用基于PC的数据采集和分析系统重新采集和分析。这些信号首先通过具有200 Hz切割频率的抗混叠滤波器。然后，以500个样本/秒的采样频率将每个信号的66-s段数字化并存储在PC的硬盘上。使用1024点快速傅里叶变换（FFT），汉宁窗口和功率谱平均对数字化信号进行频谱分析。为了通过FFT计算互相关函数，使用数字滤波将数字化信号的频带限制在15和100Hz之间。还采用具有50％重叠的矩形512点力窗来消除离散傅里叶变换中隐含的圆形效应。

图2.模拟泄漏类型：（a）管道破裂，（b）接头故障，（c）维修连接

图3.加速度计与消防栓的连接

图4.水听器的附件：（a）到服务连接管，和（b）到消防栓

3.结果和观察

3.1 频率内容

3.1.1 消防栓与服务连接

用水听器测量泄漏信号的频率成分，实验泄漏设施的铜质服务连接与附属于消防栓的水听器连接。这样做是为了确定在服务连接处测量的信号是否适用于评估泄漏声的衰减特性。对于由部分开放的地下服务连接泄漏引起的泄漏信号，频谱如图5所示[见图2（c）]。在上游的消防栓和1号服务连接处同时测量诱导泄漏信号，其间隔小于1米（见图1）。尽管两个测量位置之间的距离很近，但可以看出，在服务连接处频率分量大于20 Hz的幅度明显低于在消防栓处的幅度。此外，在服务连接处的泄漏信号的频谱中存在大约90Hz的异常峰值。

最初，人们认为异常峰值取决于泄漏源 - 但如图6所示，这种异常响应对于不同的泄漏源是相同的，例如附近的2号服务连接处的小凹坑和遥远的地下服务连接泄漏。显然，异常是由于垂直服务连接管的共振响应。

在服务连接处测量的泄漏信号的结果不可重复。例如，当移除水听器然后再次连接到维修连接时，上述共振峰值以明显不同的频率发生。服务连接周围的土壤没有很好地压实，似乎垂直服务连接管和土壤之间的耦合很容易改变。鉴于此，除了评估管道接头处的信号衰减之外，在服务连接的研究中没有进一步测量泄漏信号，因为没有替代方案。

3.1.2泄漏类型的影响

下游消防栓的未损坏泄漏信号和环境噪声（即无泄漏）的频谱如图7所示，用于接头泄漏，图8显示了部分开放式地下服务模拟的服务连接泄漏连接。

图5.上游消防栓和附近服务连接处的泄漏信号的频谱

图6.在2号服务接口和0.64厘米（1/4英寸）地下喷嘴泄漏处由打开的小型卡车引起的1号服务连接处泄漏信号的频谱。

显示了使用水听器和加速度计测量的信号的光谱。以下观察基于这些频谱：

信号的频率内容之间没有显着的差异，由联合和服务连接引起的泄漏。用水听器测量的泄漏信号明显高于5到50赫兹之间的环境噪声。低于约5 Hz，泄漏信号与环境噪声之间几乎没有差异，尽管在此频率范围内振幅最高。据信低于大约5Hz的信号由对应于测试管的纵向共振频率的峰值处的环境噪声支配。从理论上讲，第一个有趣的频率应该发生在大约1.25赫兹。最低频率峰值在图7和8同意理论值。

用加速度计测量的泄漏信号并不明显高于环境噪声。对于高达约50Hz的频率，泄漏信号几乎与环境噪声相同。然而，在50到150赫兹之间，它们略高于环境噪声。与水听器信号相比，加速度计信号的较高频率内容可能是由于地面传播的环境噪声，这与水听器不同，很容易被加速度计拾取。然而，这些是非相干信号，并没有显着的交叉相关结果。在两个传感器测量的信号的频谱中看到的峰值或“尖峰”可归因于几个来源，包括水管的纵向共振，土壤共振，由电源频率处的接地回路引起的电噪声，或基波旋转机械的频率，例如冷却塔风扇（测试场地的情况）或水泵。

图7.由两个不同的传感器测量的关节泄漏和环境噪声的频谱的比较，（a）水听器，（b）加速度计

3.1.3管道压力的影响

在管道压力为137.9和413.7 kPa（20和60 psi）时由接头泄漏引起的下游消防栓（图1中的2号消防栓）的信号频谱如图9所示。 （435 Hz），低压和高压泄漏信号之间几乎没有差异。然而，较高的管道压力导致高频（535 Hz）的幅度显着增大。这与理论上的噪声预测具有定性一致性，即较高的压力导致管道中的大小开口的较高的流速，并且反过来导致具有更高频率内容的信号[5]。

图8.由部分开放的0.64厘米地下喷嘴和环境噪声引起的信号频谱比较，由两个不同的传感器测量，（a）水听器，（b）加速度计

3.1.4 泄漏率的影响

对于特定的压力，泄漏的流速对测量信号的幅度有显着影响，但对其频率的影响可忽略不计。频谱的形状没有变化。如图10所示，通过以3和7.5 L / min的速率部分打开地下服务连接泄漏而引起的下游流量信号的频谱如图10所示。可以看出高流量率泄漏导致信号水平几乎是低流量泄漏引起的水平的50倍。大多数频率成分都是如此，除了环境噪声占主导地位的低端频率成分。

3.1.5季节的影响

关于泄漏信号频率成分的季节性影响是显着的。这可以从图11中看出，图11显示了下游信号的频谱夏季和冬季由关节泄漏引起的消防栓。没有测量冬季冻土的深度，但渥太华的霜冻渗透率通常约为1.5米。频率低于10 Hz时，冬季的信号水平与夏季相同或略高。然而，冬季水平低于更高频率的夏季水平。冬季高频率的较低水平可归因于冬季较高的衰减率。该较高的冬季衰减率与先前对地面振动的研究结果一致[6]。对于下游消防栓，频谱中主频率峰值从65 Hz到55 Hz的转变是显着的。造成这种情况的原因尚不清楚，但如前所述，这可能是由于冷冻导致消防栓和土壤之间的耦合发生变化。

图9.在管道压力为137.9和413.7 kPa（20和60 psi）时由完全打开的接头泄漏引起的泄漏信号的频谱

图10.由0.64厘米（1/4英寸）地下喷嘴引起的信号的频谱，以3和7.5升/分钟的速率打开

图11.夏季和冬季测量的关节泄漏信号的频谱

3.2 衰减率

3.2.1 沿管道

通过使用水听器测量上游和下游消防栓的泄漏信号来评估沿测试管的泄漏信号的衰减率。测量由以下两个源引起的信号：（i）位于由消防栓括起来的管段中的接头泄漏，提供了一个支架内源，以及（ii）在位于消防栓外部的测试管的最下游点处打开阀门，提供了一个非支架源。支架内源的两个接收器之间的净距离为44.4米，支架外源的净距离为102.6米。衰减率由泄漏信号之间的传递函数确定。传递函数是两个信号之间的比率的平均值，作为频率的函数。对于两个接收器到接收器距离获得的传递函数如图12所示。曲线是“波浪状的”，但它们显示出更高频率的更大衰减的预期趋势。在用20点移动平均值平滑之后获得的传递函数示于图13.在所选频率下的平滑传递函数值在图14中绘制为距离的函数。从理论上讲，图14中的所有线都应该有一个共同的起源，但由于未知因素，它们略有不同。每条线的梯度是相应频率的衰减率。衰减率数据点作为频率的函数，如图15所示。基于这些结果，总衰减率粗略估计为0.25dB / m，即每米3％的幅度损失。

由于信号幅度较低，冬季的衰减测量很难进行，如图11所示，图11显示了夏季和冬季关节泄漏引起的下游消防栓信号的频谱。使用相同的测量技术和夏季调查中使用的泄漏源获得的平滑传递函数仅在相当有限的频率范围（10plusmn;20Hz）内显示有用数据，如图16所示。基于15Hz的结果，估计衰减率为0.33 dB / m，明显高于相应的夏季率。

图12.通过NRC测试管下游端的接头泄漏和打开阀获得的传递函数，用于在上游和下游消防栓处测量的信号

图13.图9的平滑传递函数

图14.各种频率下的传递函数与净传播距离的关系

图15.基于图11中的数据作为频率函数的衰减率

3.2.2 穿过关节

在第3和第4工作连接处用水听器测量的泄漏信号评估了测试管中接头上泄漏信号的衰减率（见图1）。这两个服务连接包围一个管接头，相距约1米。因此，在这些点处测量的泄漏信号之间的传递函数提供了关节上信号衰减的直接指示。测量由以下两个源引起的信（i）部分开放的地下服务连接泄漏，其引起向上游行进的泄漏信号;以及（ii）在2号服务连接处的小风，其引起向下游行进的泄漏信号。一个来源本来就足够了，但是使用了两个不同的来源来检查准确性。水听器的灵敏度不一定相同（制造商的特定灵敏度在大多数品牌的lt;3 dB范围内）。为了确定水听器灵敏度之间的差异，用传感器以一定顺序测量由下游源引起的泄漏信号，然后用传感器以相反的顺序再次测量。得到的传递函数如图17所示。水听器灵敏度之间存在1.3 dB的差异。这用于纠正水听器信号之间的传递函数。

用上游和下游源获得的校正传递函数如图18所示。在高频率下，利用下游源获得的传递函数值受到服务连接管谐振的影响，因此被忽略。对于高达约40Hz的频率，用两个信号源获得的传递函数值非常接近零。因此，可以得出结论，管道接头处泄漏信号的衰减是不重要的。

图16.在NRC试管的最下游点处通过接头泄漏和打开阀获得的平滑传递函数，用于在冬季在上游和下游消防栓处测量的信号

图17.使用以相反顺序排列的水电话对测量的管道接头上的泄漏信号之间的传递函数的比较，以确定由于传感器（用作泄漏源的0.64cm地下喷嘴）之间的灵敏度变化引起的误差。

3.3 传播速度

3.3.1计算方法

通过使用“时间”方法或互相关方法，可以很容易地计算出水管中宽带泄漏信号的传播速度。在时间 - 时间方法中，基于在已知距离的两个位置处测量的瞬态信号的到达时间的差异来估计传播速度。然后将速度计算为行进距离除以到达时间的差异。在本研究中使用的实验设施中，通过在测试管的最下游点（支架外源）或服务连接处突然打开然后关闭阀门，在测试管道中产生瞬态信号。 .6（括号内）。典型的测量瞬态信号如图19所示。

在互相关方法中，基于在已知距离的两个点处测量的相干连续信号之间的时间滞后来估计传播速度。使用已知位置的源生成信号。然后基于测量信号的净行进距离和时移来计算速

资料编号：[4639]