供水管道泄漏噪声传播特性及其泄漏定位技术的分析.pdf

中文摘要摘要供水管道泄漏不仅浪费宝贵的水资源和生产资金,而且会对管线本身、道路和建筑物的地基造成破坏,危害公共卫生安全,因此,世界各国非常重视供水管道的漏损控制工作,发达国家很早就开展了检漏技术及设备的研发工作。在众多检测仪器设备中,基于时延估计技术的相关检漏仪是比较先进的仪器,但由于主要是国外产品,价格比较昂贵,在我国只有大型自来水公司和专业管道检修公司配备了这种仪器。在使用这种仪器时,检漏人员往往只能被动地接受检测结果。如果在仪器中采用合适的信号处理技术对信号进行分析,评估检测效果,就能提高检漏效率。将这样的管道泄漏定位系统在供水行业普及和推广,将会提高有效供水能力,产生巨大的经济效益和社会效益。正确认识泄漏噪声在供水管道中的传播特性是采用合适的信号处理方法、提高漏点定位精度的前提。各种时延估计方法的性能取决于具体的应用条件,时延估计的方差受制于信号的信噪比、带宽和测量时间长度。由于管道中存在各种噪声干扰,泄漏噪声受漏孔状况、水压、管道材质、埋设条件以及在传播中衰减等因素的影响,泄漏噪声的信噪比、带宽等特征千差万别,而尽可能多地获取泄漏噪声的相关信息可以提高时延估计的精度。针对上述问题,论文的主要研究工作如下: ①根据泄漏噪声产生机理和实际采集数据的分析,泄漏噪声是高斯分布的随机信号,双谱时延估计方法不能应用在供水管道泄漏定位中。声导管理论表明, 声波以非频散的平面波和频散的高阶声模态形式在管道流体中传播。在实际管道中,引起管壁径向振动的主要是在管道水中传播的声波,供水管道的泄漏定位是基于流体传声的泄漏定位技术,泄漏噪声平面波可以传播较远的距离。以活塞在管道流体中运动产生微弱压缩波和微弱膨胀波为模型,推导了弹性圆管流体中平面波的传播速度公式。②互功率谱相位谱从相位关系上反映了两个信号的相关性,在泄漏噪声以平面波传播的频段中,互谱相位谱的相位随频率呈线性变化;相干函数在频域上反映了源信号的最小信噪比以及两个信号的相关程度。因此,论文提出基于互谱分析的泄漏定位方法,根据互谱相位谱和相干函数获得泄漏噪声的频率范围、信噪比等信息。由于实际检测数据是有限的,在互谱的计算中,通过对数据进行合理地分段处理以减小随机误差和各种偏度误差。在泄漏噪声信噪比较低的情况下, 在两帧互谱相位谱中辨识出相位呈线性变化且变化趋势一致的频段,可以估计泄漏噪声的频带。将两帧互谱相位谱中的相位数据相减得到互谱相位差谱,在泄漏重庆大学博十学位论文噪声的频带内,相位差呈水平变化,易于人工和计算机辅助识别泄漏噪声的频率范围。实际检测中将互谱相位谱、互谱相位差谱和相干函数相结合估计泄漏噪声的频带,据此设置带通滤波器的通频带,提高了泄漏噪声的信噪比,因而提高了时延估计的精度和检测结果的置信度。互谱分析的结果能够对检测效果作出评判, 提高检测效率。与SoundSens相关仪进行了检测比较,基于互谱分析的检测方法提高了泄漏定位的精度和可信度,并可减少误报。③当被检管段上有多个泄漏时,会影响泄漏定位的效果。通过多源时延估计信号模型研究了多信源对时延估计和互谱分析的影响,分析了多源情况下互谱相位谱、互谱相位差谱和相干函数的形态特征,可用于多漏点的辨识和定位,在实践中验证了应用互谱分析检测多漏点的效果。④泄漏噪声在管道中的传播速度受管材、内径、壁厚等因素的影响,在某些情况下采用现场测量的方法可以获得较准确的声速。当被检管段是由不同型号管道组成的异型管段时,用某种管道的声速或平均声速计算漏点位置会增大泄漏定位的误差。供水管网的信息化提供了管线详实的基本数据,根据各段管道的长度和声速可以提高定位精度,据此提出了异型管道泄漏定位的计算方法并给出检测实例和程序算法。检测系统增加这两个辅助功能可以提高其适应某些复杂检测条件的能力。⑤在虚拟仪器开发平台LabVIEW上实现了检测程序。关键词:供水管道,泄漏定位,声导管,时延估计,互谱分析英文摘要 ABSTRACT Leakage notonly wastes bothprecious water resources andproduction funds,but alsoendangers work itselfandthefoundations ofroadsandbuildings and causes public to conserve watermotivates allcountries ofthe world toimplement leakage· techniques and equipments of leakage detectionhadbeendeveloped early inmanydeveloped l