一种利用声波检测管道泄漏的方法与流程

本发明涉及油气管道泄露检测领域，尤其涉及一种利用声波检测管道泄露的方法。

背景技术：

油气管道在长距离的石油、天然气等重要资源的运输中起到极为关键的作用，但由于大部分管道铺设在野外或地下等恶劣自然环境中，容易受到损坏，而且一旦管道发生泄漏，既会造成严重的污染，又会带来重大的经济损失。因此，能快速检测和定位管道泄露具有极大的应用价值。

针对管道泄露的问题，实际中采用的检测方案有很多种，例如压力分布法、负压波检测法、质量平衡法、电缆检测法等，当然还包括声波检测法。由于声检测采用的元器件较为简单，在各种管道泄露定位中得到广泛应用。目前，在利用声波检测管道泄露过程，采集的原始数据多用小波去噪，小波去噪能有效解决传统检测定位不准确的问题。

然而，由于小波去噪需要人为的选取基函数及设定阈值，这样会产生检测误差，影响检测结果的稳定性，而人为设定参数又同时增大数据处理时操作的难度，进而限制声波检测法的应用。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种利用声波检测管道泄露的方法，通过采集泄露位置发出的声波信号，经过对声波信号处理分析，确定管道泄露位置。

第一方面，提供了一种利用声波检测管道泄露的方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤S1：通过声学换能器采集待检测管道表面传播的声波信号。

步骤S2：预设窗函数，利用短时傅里叶变换公式(1)计算所述声波信号；

其中，t为时间，ω为角频率，f为频率。A(t,f)函数是以t时为中心的时窗g(t)内信号v(t)的傅立叶振幅谱；

步骤S3：利用公式(2)，计算得到所述声波信号的振幅谱；

W(f)＝∫A(t,f)dt (2)

步骤S4：利用公式(3)，计算得到所述声波信号的中心频率；

fc＝∫fW(f)df/∫W(f)df (3)

步骤S5：根据所述中心频率，设置带通滤波的带通范围，在所述带通范围内对所述声波信号进行滤波；

步骤S6：对滤波后的声波信号进行希尔伯特变换，得到解析信号，并利用公式(4)计算得到所述滤波后的声波信号的相位；

其中im(w(t))为解析信号w(t)的虚部，real(w(t))为解析信号w(t)的实部。

步骤S7：根据所述滤波后的声波信号的相位，确定信号到时，并根据所述信号到时，确定所述待检测管道发生泄漏的位置。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例中，对采集的声波信号进行短时傅立叶变换、带通滤波、希尔伯特变换得到声波信号的到时，根据声波信号的到时确定管道泄露位置，使得在使用声波检测时，避免了人为设定参数时带来的误差，保障检测结果的准确性与稳定性，进而简化操作，使声波检测定位管道泄露得到广泛应用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的利用声波检测管道泄露的方法的一个实施例流程图；

图2为本发明实施例二提供的用于提取到时的滤波后的声波信号图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种利用声波检测管道泄露的方法，用于检测管道泄露位置。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例提供的利用声波检测管道泄露的方法的一个实施例包括：

S101、通过声学换能器采集待检测管道表面传播的声波信号；

可选的，至少通过两个声学换能器采集声波信号。由于泄露位置发出的噪声声波是双向传播，至少通过两个放置在不同位置的声学换能器才能确定发生泄漏的位置。当然声学换能器越多，综合分析，定位就越准确。

S102、预设窗函数，利用短时傅里叶变换公式(1)计算所述声波信号，得到功率谱；

其中，t为时间，ω为角频率，f为频率。A(t,f)函数给出了以t时为中心的时窗g(t)内信号v(t)的傅立叶振幅谱。

设定窗函数，选取所述声波信号的有限时间片段进行处理分析。用截取的信号时间片段进行周期延拓处理，得到虚拟的无限长的信号，然后就可以对信号进行傅立叶变换、相关分析等数学处理。由于频散效应的影响，不同频段内拉伸波的速度差异较大，如果不选择合适的频段，信号的到时提取会有较大误差。为了选取合适频段，本申请采用短时窗傅立叶变换作为分析原始信号的工具，确定信号的主频。

S103、利用公式(2)，计算得到所述声波信号的振幅谱。

W(f)＝∫A(t,f)dt (2)

S104、利用公式(3)，计算得到所述声波信号的中心频率。

fc＝∫fW(f)df/∫W(f)df (3)

借助中心频率可以准确选定所述声波信号的主频范围，通过确定信号的中心频率，对中心频率进行延拓就能得到包含主频的滤波范围，传统的技术方案在得到频谱图后，需要人为确定主频范围，人为因素的不确定性，会影响结果的准确性。本发明通过计算得到中心频率，根据中心频率确定主频范围，提高选定频谱范围的准确性，避免人为的影响。

S105、根据所述中心频率，设置带通滤波的带通范围，在所述带通范围内对所述声波信号进行滤波。

可选的，所述根据所述中心频率，设置带通滤波的带通范围具体为：预设所述中心频率对应频谱值的比例，比如10％，根据所述比例，确定所述中心频率两端对应最低频率和最高频率，分别记为f1和f2，所述最低频率与所述最高频率是频谱曲线与所述比例的交点，所述比例是一条与频率f轴平行的直线，所述最低频率与所述最高频率在中心频率两侧，构成的区间即为所述带通滤波的带通范围，即范围为(f1，f2)。

S106、对所述滤波后的声波信号进行希尔伯特变换，得到解析信号，并利用公式(4)计算得到所述滤波后的声波信号的相位；

其中im(w(t))为解析信号w(t)的虚部，real(w(t))为解析信号w(t)的实部。

所述滤波后的声波信号信号经过希尔伯特变换后，在频域各频率分量的幅度不变，但相位会出现90度相移。声波信号的能量包络反映着信号的能量变化，而相位则标识特定时刻在循环中的位置，两者都能反映信号的到时。

可选的，上述过程还包括：利用公式(5)计算得到所述滤波后的声波信号的能量包络；

A(t)＝|w(t)| (5)

其中，|w(t)|为所述解析信号w(t)的模值。

S107、根据所述滤波后的声波信号的相位，确定信号到时，并根据所述信号到时，确定所述待检测管道发生泄漏的位置。

可选的，当检测到所述滤波后的声波信号的相位变化范围达到预设的阈值，记录达到所述预设的阈值的时间，所述达到预设的阈值的时间即为信号的到时，再根据声音在所述管道表面传播的速度，计算得到发生泄漏的位置。相位的变化能表示信号的到来，由于相位变化较为明显，因此可以作为信号到时的判断标准，而能量包络也可以作为辅助判断手段。

实际中，阈值的设定起到至关重要的作用。由于采集声波信号时，信号能量会随距离的增加而衰减，声学换能器采集的声波信号会有一定程度的差别。在本发明中采用等相位法，即取相位前端的一部分点的平均，当相位变化超过平均值，则设定为起始点，当变化超过预设阈值则可以确定信号时。这样能有效避免人为因素干扰，提高精确度。

信号到时t结合声波在钢管中的传播速度v，则距离s＝v*t，确定发生泄漏的位置。

经过滤波后的声波信号，可以根据相位提取信号到时。结合图2，下面具体介绍提取声波信号到时的方法。图2是本发明实施例提供的用于提取到时的滤波后的声波信号图，如图2所示：

图2给出了滤波后的声波信号、能量包络和相位，从图中可以看出在黑色箭头所指的部位能量包络和相位同时发生变化，根据本专利的到时提取方法，可知箭头所指的位置即为声波信号的到时。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各实施例的模块、单元和/或方法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。