聲泄漏檢測(cè)技術(shù)依賴于液體和氣體泄漏的噪音。然而,它不一定是人類耳朵能探測(cè)到的噪音,它可能是在超聲波區(qū)域。水管泄漏是一項(xiàng)重大的環(huán)境挑戰(zhàn)----聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。清潔(飲用)水是一個(gè)稀缺的來(lái)源,需要加以保護(hù);老化的基礎(chǔ)設(shè)施增加了挑戰(zhàn)。煤氣管道泄漏既危險(xiǎn)又昂貴.無(wú)論在哪種情況下,聲泄漏檢測(cè)都能提供解決方案。

當(dāng)流體或氣體通過(guò)加壓管道時(shí),會(huì)產(chǎn)生聲音噪聲。與聲信號(hào)高達(dá)2千赫茲的液體相比,氣體往往會(huì)產(chǎn)生更高音調(diào)的噪聲,達(dá)到超聲波范圍。

漏水的水管

影響泄漏水管噪聲的因素很多,包括管道直徑、泄漏尺寸和水壓。此外,管道材料和管道周圍的地面對(duì)噪聲的傳播有很大的影響。例如,水管作為聲能的低通濾波器,特別是塑料管,比金屬管帶來(lái)更大的阻尼。

泄漏產(chǎn)生的聲能通過(guò)管道壁、管道周圍的土壤和管道中的水傳播。這些聲音通常在巖石土壤和干燥土壤中傳播得更遠(yuǎn)。在許多情況下,在泄漏區(qū)域周圍形成一個(gè)水池將會(huì)使聲音降至一個(gè)即使使用高度敏感的設(shè)備也無(wú)法聽(tīng)到的水平。如前所述,氣體往往產(chǎn)生較高頻率的聲音,這些聲音與典型的水泄漏的低頻率聲音相比可以傳播得更遠(yuǎn)。如因漏水而發(fā)出的噪音過(guò)于微弱,以致無(wú)法察覺(jué),則可將示蹤氣體注入管內(nèi),使用簡(jiǎn)單的聽(tīng)聲棒.

今天的許多供水網(wǎng)已經(jīng)在戰(zhàn)略要地永久安裝了監(jiān)聽(tīng)裝置。使用頻率分析和交叉相關(guān)方法,永久性監(jiān)聽(tīng)設(shè)備可以幫助檢測(cè)泄漏。頻率分析措施和過(guò)濾干擾泄漏識(shí)別的環(huán)境噪聲。

交叉相關(guān)可以用來(lái)確定泄漏的確切位置。它使用兩個(gè)傳感器,泄漏必須位于傳感器之間。在交叉相關(guān)中,兩個(gè)傳感器之間泄漏噪聲的時(shí)間延遲與特定類型和管道尺寸的聲音速度相結(jié)合,以確定兩個(gè)傳感器之間的泄漏位置。不幸的是,當(dāng)?shù)氐囊蛩?如土壤條件可以隨著管道的長(zhǎng)度而變化,這使確定確切的聲音速度變得困難。將傳感器靠近整個(gè)配電管道是提高泄漏檢測(cè)系統(tǒng)性能的方法之一。

在越來(lái)越多的情況下,聲噪聲傳感器被集成到水表中。在眾多的戰(zhàn)略要地發(fā)現(xiàn)了儀表,為泄漏檢測(cè)提供了良好的覆蓋。該儀表是水分配系統(tǒng)的一個(gè)組成部分,具有良好的機(jī)械耦合,需要傾聽(tīng)泄漏。智能電表有一個(gè)完整的無(wú)線通信鏈路,可以提供關(guān)于潛在泄漏的信息,以及關(guān)于水使用的信息。

將泄漏檢測(cè)納入智能儀表的主要挑戰(zhàn)是低耗電。智能水表電池預(yù)計(jì)至少可使用15年。為了解決耗電問(wèn)題,使用了極低功率的聲傳感器,每天只能傳送一次單聲噪聲信號(hào)。

新管道材料帶來(lái)新的挑戰(zhàn)

當(dāng)內(nèi)部和外部壓力試圖平衡時(shí)所引起的泄漏位置的湍流是噪聲的來(lái)源,并取決于管道材料和其他因素。銅、鋼和鑄鐵管的泄漏通常會(huì)產(chǎn)生500到1500赫茲的聲音。PVC管道泄漏產(chǎn)生的聲音范圍通常在70O850赫茲之間。

此外,PVC管與水的耦合比金屬管強(qiáng),這導(dǎo)致噪音信號(hào)明顯減弱,泄漏噪聲在PVC管中傳播的程度不如在金屬管中那樣大。因此,使用兩個(gè)泄漏檢測(cè)器和聲學(xué)相關(guān)性來(lái)定位泄漏并不那么簡(jiǎn)單或?qū)嶋H,因?yàn)樾枰嗟臋z測(cè)器,而且在PVC管道的情況下,它們需要更緊密地結(jié)合在一起。

在PVC管道中泄漏噪聲傳播的相對(duì)較高的衰減率("波速")及其傳播速度的可變性都影響了相關(guān)器的性能。當(dāng)發(fā)現(xiàn)PVC管道泄漏時(shí),準(zhǔn)確的波速估計(jì)尤其重要。在大多數(shù)裝置中,波速是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)估計(jì)的,并根據(jù)假定的材料性質(zhì)和管道幾何計(jì)算得出。歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的使用極大地限制了這種相關(guān)技術(shù)的適用性。最近,利用多物理軟件開(kāi)發(fā)出一種有限元法(FEM)來(lái)計(jì)算相關(guān)器中使用的波速度和波衰減值( 圖2)。對(duì)兩種情況下的有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較:第一,外拍勵(lì)磁機(jī)構(gòu)為揚(yáng)聲器;第二,外拍勵(lì)磁是泄漏,兩拍外勵(lì)磁機(jī)構(gòu)的預(yù)測(cè)與實(shí)際系統(tǒng)一致。

圖:已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種有限元方法來(lái)提高PVC水管泄漏識(shí)別中相關(guān)器的性能。

超聲波傳感器檢測(cè)氣體泄漏

高壓氣體管道中的泄漏在25-100千赫茲范圍內(nèi)發(fā)出超聲波噪聲。傳統(tǒng)的氣體泄漏檢測(cè)器測(cè)量累積氣體,在反應(yīng)前有一個(gè)滯后時(shí)間。超聲波泄漏檢測(cè)器可以在泄漏發(fā)生時(shí)立即識(shí)別泄漏,從而觸發(fā)更快的警告。

例如,一個(gè)固定的極地氣體泄漏探測(cè)器使用四個(gè)超聲聲傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)氣體泄漏的大范圍。它可以在室內(nèi)或室外環(huán)境中使用,能夠經(jīng)受降水和風(fēng),并能夠識(shí)別泄漏,不論其位置或氣體分層或稀釋。該系統(tǒng)的特點(diǎn)包括:

· 在2-40米范圍內(nèi)(7-130英尺)對(duì)有毒、易燃或惰性氣體泄漏的即時(shí)反應(yīng)

· 傳感器沒(méi)有移動(dòng)部件,不會(huì)老化或漂移,可以在不校準(zhǔn)的情況下操作,并包括故障安全操作的自動(dòng)自動(dòng)測(cè)試

· 操作溫度范圍-40~85℃

一種用于識(shí)別工業(yè)壓縮空氣系統(tǒng)中泄漏的手持儀器使用了一個(gè)由64個(gè)麥克風(fēng)組成的矩陣,這些麥克風(fēng)是按特定模式排列的聲學(xué)傳感器,再加上在材料中間的可見(jiàn)相機(jī),以提供被掃描區(qū)域的圖像。根據(jù)聲源和樂(lè)器的相對(duì)位置,64臺(tái)麥克風(fēng)接收聲音的時(shí)間略有不同。用麥克風(fēng)間的時(shí)間差來(lái)定位聲源,然后將聲源疊加在相機(jī)拍攝的圖像上,向操作員顯示泄漏的確切位置 .

壓力空氣從管道泄漏產(chǎn)生的寬帶噪音的聲音和超聲波頻率范圍為40千赫茲及更高。許多工業(yè)壓縮空氣泄漏傳感器系統(tǒng)使用以大約40千赫為中心的窄帶超聲波傳感器。傳感器與泄漏的距離和角度會(huì)影響超聲波傳感器的有效性。窄帶超聲波傳感器的使用存在局限性,包括:

· 由于大氣吸收,超聲波頻率明顯減弱。

· 測(cè)量角度對(duì)壓縮空氣泄漏產(chǎn)生的聲壓級(jí)有很強(qiáng)的影響。

· 工業(yè)環(huán)境中常見(jiàn)的噪聲環(huán)境降低了窄帶超聲波傳感器的性能。

用寬帶傳感器替換窄帶超聲波傳感器,這種傳感器既可用于聽(tīng)覺(jué)范圍,也可用于超聲范圍,這可以彌補(bǔ)窄帶傳感器的局限性。擴(kuò)大頻率范圍提高了泄漏檢測(cè)系統(tǒng)的質(zhì)量和精度。在壓縮空氣泄漏的情況下,聲音頻率范圍的聲壓級(jí)別最大,而在超聲波范圍內(nèi)的聲壓級(jí)別則明顯較低,因此使用窄帶超聲波傳感器進(jìn)行檢測(cè)具有挑戰(zhàn)性。

概括的

如上所述,使用各種聲泄漏檢測(cè)技術(shù)可以準(zhǔn)確定位水和氣體泄漏。當(dāng)內(nèi)部和外部壓力試圖平衡時(shí),泄漏位置引起的湍流是噪聲的來(lái)源,并取決于許多因素。水泄漏往往會(huì)發(fā)出幾千赫茲以下的聲音,可利用窄帶聲傳感器有效地探測(cè)到,而氣體泄漏產(chǎn)生更寬的頻率譜,延伸到超聲波范圍,并可利用寬帶傳感器探測(cè)。