供水管道泄漏噪声传播特性及泄漏定位技术分析.docx
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供水管道泄漏噪声传播特性及泄漏定位技术分析
供水管道泄漏噪声传播特性及泄漏定位技术分析
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
Ⅱ
英文摘要
ABSTRACT
Leakagenotonlywastesbothpreciouswaterresourcesandproductionfunds,butalsoendangersthepipenetworkitselfandthefoundationsofroadsandbuildingsandcausespublichealthrisk.Theneedtoconservewatermotivatesallcountriesoftheworldtoimplementleakage·controlprograms.Thetechniquesandequipmentsof
leakagedetectionhadbeendevelopedearlyinmanydevelopedcountries.Modemleaklocationcorrelatorsareadvanceddevicesthatbaseontimedelayestimationtechnique.
Thesedevicesaremainlymanufacturedabroadandexpensive,SOthatonlylargewater
supplycompaniesandprofessionalpipelinedetectioncompaniespossessthem.Whenusingthesedevices,leakdetectionprofessionalsusuallyacceptpassivelydetectionresults.Withappropriatesignalprocessingusedtoanalysesignalsinthesedevices,itis
usefultoevaluatedetectingeffectandimproveefficiency.Ifsuchleaklocationsystems
havebeenpopularizedandpromoted,watersupplycapacityofwaterworkswillbe
increasedandenomlouseconomicbenefitandsocialbenefitwillbeproduced。
Inordertoadoptappropriatesignalprocessingandimprovethelocationaccuracy,thepropagationcharacteristicsofleakagenoisemustbeknowncorrectly.Theperformanceofeachmethodoftimedelayestimationdependsonparticularapplication
condition.Thevarianceoftimedelayestimationissubjecttosignal-to-noiseratioand
bandwidthofleakagenoise,measuringtimeinterval.Therearevariousunwanted
interferencenoisesinpipelineandthereareseveralfactorsinfluencingtheleakagenoise,suchasorificetypeandsize,systempressure,pipematerials,compositionofthegroundandsoundattenuationinpropagation.Thecharacteristicsofleakagenoise,suchassignal-to—noiseratioandbandwidthofleakagenoise,dependontheparticularcharacteristicsoftheindividualleaksandtheprecisionoftimedelayestimationCanbe
improvedbygettingmoreavailableinformationofleakagenoise.ThemainworkinthisthesisiSasfollows:
(i)Basedonanalysisofthemechanismsofthegenerationofleakagenoiseandcollecteddata,theleakagenoiseisstochasticsignalthatmeetsGaussiandistribution.Sothebispectrumtimedelayestimationmethodcouldn’tbeusedinleaklocationof
waterpipeline.Acousticducttheoryshowsthatacousticwaveinthewaterwithinpipecomprisesbothnon-dispersiveplanewaveanddispersivehigherorderacousticmodes.Theradialvibrationofpipewallispredominantlyexcitedbythesoundtravelingin
III
water,SOtheleaklocationisatechniquebasedonwater-bornesound.TheplanewaveofleakagenoiseCallpropagatelongerdistanceinwater.Basedonthemodelthatamovingpistoninawater-filledpipeproducesaninfinitesimalcompressionwaveand
aninfinitesimalexpansionwave,theformulaofvelocityofplanewaveinfluidwithin
elasticcylinderisderived.
(g)Cross.powerspectrumphasesreflecttherelationbetweensignalsfromthephaserelationship.ThephaseislinearwithfrequencyintheCROSS。
spectralphasespectrumwithinthefrequencyrangethatleakagenoisepropagatesinplanewave.Thecoherencefunctionshowstheleastsignal--to--noiseratioofsourcesignalandtowhichdegreethetworeceivedsignalsarerelatedinfrequencydomain.Sothemethodofleaklocationthatbasedoncross..powerspectralanalysisispresented.Basedoncross.spectralphasespectrumandcoherencefunction,theinformationaboutfrequencyrangeandsignal..to..noiseratioofleakagenoiseisobtained.AdoptingpropermethodtosegmentdatacallreducerandomerrorsandVariousbiaserrorsincrOSS。
powerspectralanalysis.Inthecaseoflowsignal.to.noiseratio,thebandofleakagenoisecanbe
estimatedbyidentifyingthatthephasesarelinearanduniformintwocross·spectral
phasespectra.ThecrOSS.spectralphasedifferencespectrumisobtainedfromthedifferenceofphasedataoftwocross.spectralphasespectra.Inthefrequencyrangeofleakagenoise,thephasedifferenceishorizontal,SOthefrequencyrangeofleakagenoiseiseasilyestimatedbyartificialandcomputer-aidedidentification.Inpractice,bycombiningcross.spectralphasespectrumandcross—spectralphasedifferencespectrumwithcoherencefunction,thebandofleaknoiseisobtainedandthepassbandsofban@assfiltersareset.Theaccuracyoftimedelayestimationandconfidenceoflocatingleakareimprovedduetotheimprovementofsignal-to—noiseratioofleakagenoise.TheeffectofdetectionCanbeevaluatedthroughcrOSS‘powerspectrumanalysis,
anddetectingefficiencyisimproved.ComparedwithSoundSenscorrelator,thedetectingmethodbased..oncross..powerspectrumanalysisimprovestheaccuracyandreliabilityoflocatingleakanddecreasesfalsealarm.
⑨Tlleexistenceofmultipleleaksinapipelineaffectstheleaklocation.The
signalmodelofmultiplesourcesisusedtoresearchtheaffectionofmultiplesignalsoHl'cesontimedelayestimationandcross.powerspectralanalysis.Theshapefeatureofcross.spectrumphasespectrum,CTOSS—spectralphasedifferencespectrumandthe
coherencefunctionisanalysedinthecaseofmultiplesources.ThatCallbeusedto
identifyandlocatemultipleleaks.Inpractice,theeffectsofapplyingcross—power
IV
spectralanalysistodetectmultipleleaksarevalidated·
onthepipematerial,
④Tllevelocityofplanewavewithinthepipedependsmainly
intenlaldi锄eter,wallthickness,etc.ThemethodstogetmoreveracloussoundsPeed
ofdlfierent
inthefieldarcpresented.Tolocatealeakinapipesegmentmadeuppipe
types,usingeithervelocityofonetypeoraveragevelocityincreases
errorotleaK
location.Theinformatizationofwatersupplynetworkprovidesdetailedessential
data
abom恤pipelineand1110reaccuratepositionofaleakcouldbeattainedbYuslngthe
len础aIldvelocityofeachliRlesegment.Thecalculationmethodlspresented,and孤
makethe
ex锄pleandtheprogrammingalgorithmaregiven.Theseauxiliaryfunctions
detectionsystemtoadapttosomecomplextestconditions·
⑤Thedetectionapplicationisbuiltinthevirtualinstrumentdevelopingplatto肌
LabVIEW.
Keyw。
rds:
Watersupplypipeline,Leaklocati。
n,Acousticduct'Timedelayestimation,Cross.powerspectralanalysis
V
1绪论
1绪论
1.1水危机与供水管道漏损控制的意义
水是生命之源,陆地上所有的生命都要依赖淡水。
人体内的水分占体重的大部分,如果失去体重15%一20%的水量,生理机能就会停止。
地球的储水量中绝大部分是海水,陆地淡水仅占2.8%,而与人类生活密切的江河、淡水湖和浅层地下水等淡水,又仅占淡水储量的0.34%【l】。
人121的迅速增加和城市化的加速、日趋严重的水污染以及全球气候变化是导致缺水的主要原斟21。
联合国的人类环境和世界水会议己发出警告:
人类在石油危机之后,下一个危机就是水。
保护和有效合理地利用水资源,是世界各国政府面临的一项紧迫任务。
我国的淡水资源总量占全球水资源的6%,居世界第四位,但人均占有量为世界人均占有量的四分之一,名列第121位,是严重缺水的国家,而且我国紧缺的水资源在时间和空间上的分布很不均匀。
随着国民经济的发展、城市生活水平的提高和人口的增加,很多地区特别是在北方和某些沿海城市不断发生水资源短缺和污染问题,有些严重缺水的城市已采取污水回用的措施。
地处长江与嘉陵江汇合处的重庆,2006年遭受了百年一遇的特大干旱,2007年初的降水量仅为正常降水量的五成左右。
由于长江和嘉陵江水位严重下降,导致主城供水系统取水困难,重庆市主城区一度有120万人面临缺水危机p】。
从自然水到能直接饮用的自来水,要使用物理、化学、生物等方法进行水质处理,一般要经过反应、絮凝、沉淀、过滤和消掣41。
而取水、加压供水还要消耗大量的电能。
从水资源的匮乏和水的制备过程考虑,自来水的成本是很高的。
与世界发达国家相比,我国用水模式粗放,不合理地利用和浪费导致损失一半以上的水资源。
因此,借鉴国外先进节水经验,改变生活习惯、注意节约用水、提高水资源利用率是缓解日益紧张的用水状况的有效途径。
另外,国外许多城市还非常注重供水管网系统的检漏工作,及早发现漏水并及时修复。
发达国家的管道泄漏造成的漏损率为8%,而我国的漏损率为12%"--13%。
以日均供水100万吨的水厂为例,如果漏损率比发达国家高4%,水费按2.8元/吨计算,则一天多损失4万吨,经济损失达11万元人民币,全年的损失是相当可观的。
埋地供水管道发生泄漏的原因很多,如由于地质环境变化(地震、滑坡等)、温度变化、水压过高、操作不当产生水锤或地面重压引起的爆管,锈蚀、杂散电流腐蚀等引起的管壁烂洞,管道接121和阀门、消防栓等附件漏水【5】侧。
供水管道泄漏不仅浪费宝贵的水资源和生产资金,而且对管道自身、建筑物和公路的地基造成破坏,污物也可能从管道破损处进入供水系统给公共卫生带来危害。
在水资源
重庆大学博十学位论文
日趋紧张的情况下,减少漏水既降低了给水成本,也相当于新辟了水源,因此,及时、准确地定位管道泄漏点具有显著的经济意义和深远的社会意义。
美国自来水协会、日本水道协会、英国水研究中心、德国燃气自来水行业联合会等很早就开展了检漏技术及设备的研发工作【8】.[10】,取得了可观的经济效益。
我国的城镇供水协会也成立了给水管道专业委员会,积极开展漏损控制工作。
建设部为加强城市供水管网漏损控制,合理利用水资源,降低城市供水成本,经过认真总结国内外的实践经验,在2002年制定了《城市供水管网漏损控制及评定标准》[1q。
1.2供水管道检漏方法
当供水管道或附件漏水时,水穿过泄漏处形成湍流和射流以及与土壤撞击等产生声音,这种声音对人来说不是和谐悦耳的“乐音",而是令人烦躁、讨厌的“噪声”,但这种泄漏噪声可以帮助检漏人员检测、定位泄漏。
这里将供水管道检漏方法分为声学方法和非声学方法。
1.2.1声学检漏方法
①音听法
音听法就是使用听音棒和电子听漏仪等设备查找漏点。
在我国春秋战国之际,思想家、政治家墨子和他的弟子们曾将数个腹大口小的陶罂埋在城内墙根旁的土中,通过谛听罂口上所蒙革面的振动,根据各个陶罂的响度差来判断敌人挖地道攻城的方位。
这是利用了声音在固体物质中传播时遇有空穴就在空穴的各界面之间连续反射、产生混响而将声音放大的“空穴效应"[121。
听音棒上的听筒就是用类似的原理将管道泄漏产生的振动放大【引。
电子听漏仪是利用探头将管道泄漏产生的振动转化为电信号,经过放大、滤波等处理后在耳机中听到漏水声或在仪器上显示信号的强弱。
用听音棒或电子听漏仪在管道上的可接触点(如水表
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