给水管道慢性泄漏的声学检测系统及方法

1.本发明涉及管道慢性泄漏检测领域，尤其涉及一种给水管道慢性泄漏的声学检测系统及方法。


背景技术：

2.给水管网是市政基础设施的重要组成部分，但由于管网的老化、腐蚀、地质灾害、施工等第三方因素导致了给水管网的泄漏问题频发。随着很多管网的使用寿命即将到达尾声，管网的漏损问题可能会更加严重。
3.现有检测方式是利用相关仪进行检测，当给水管道发生泄漏时，泄漏噪声会沿着管道向两端传播，由于到达管道两端的传感器时间不同，故而产生了时间差，然后把现场测量的管道长度，管材管径，输入相关仪，就可以得知声音在管道中传播的声速。根据计算出的时间差和管道中传播的声速。代入相关仪方程式就可以计算出漏点的位置。
4.但目前利用相关仪进行管道泄漏检测的方式至少存在以下问题:
5.(1)目前相关仪大多为进口仪器，自主性不高且价格相对昂贵。
6.(2)在相关仪中为增加其准确度和灵敏度，会加入多段滤波器，这会增加相关仪的造价成本。在检测时，会根据泄漏声信号的频率范围，确定滤波的范围，但是当干扰声信息频率与泄漏声信息频率接近或重叠时，干扰信息不能有效去除，影响检测的精确度。
7.(3)运用相关仪检测时，受管道的压力及泄漏的流量影响较大，对低压(低于0.15mpa)的管道泄漏检测效果不好。


技术实现要素：

8.针对现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种给水管道慢性泄漏的声学检测系统及方法，能解决现有利用相关仪进行管道泄漏检测的方式，存在相关仪价格贵、干扰信息不能有效去除，影响检测的精确度以及对低压的管道泄漏检测效果不好等问题。
9.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
10.本发明实施方式提供一种给水管道慢性泄漏的声学检测系统，包括：
11.第一声波传感器、第二声波传感器、声波数据采集卡和声波数据处理装置；其中，
12.所述第一声波传感器与第二声波传感器分设在待检测泄漏点两端的给水管道上；
13.所述声波数据采集卡分别与所述第一声波传感器和第二声波传感器电气连接；
14.所述声波数据处理装置，与所述声波数据采集卡通信连接，能接收所述声波数据采集卡经所述第一声波传感器和第二声波传感器采集的待检测泄漏点两端的给水管道的两组声波信号，并对待检测泄漏点两端的给水管道的两组声波信号分别进行去噪处理后得出两组泄漏声波信号，通过对两组泄漏声波信号进行互相关延时估计处理定位得出给水管道上的泄漏点位置。
15.本发明实施方式还提供一种给水管道慢性泄漏的声学检测方法，通过本发明所述声学检测系统实现，包括：
16.从待检测泄漏点两端的给水管道上分别获取检测泄漏点两端的两组声波信号；
17.对待检测泄漏点两端的给水管道的两组声波信号分别进行去噪处理后得出两组泄漏声波信号，通过对两组泄漏声波信号进行互相关延时估计处理定位得出给水管道上的泄漏点位置。
18.由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的给水管道慢性泄漏的声学检测系统及方法，其有益效果为：
19.通过设置的两个声波传感器、声波数据采集卡和声波数据处理装置配合，对声波传感器的接收的声波信号进行去除噪声的滤波处理后得到两组泄漏声波信号，通过互相关延时估计求得泄漏点位置。相对于传统方法对声波信号的数据需通过滤波器或者在系统中加入信号放大器的方式，不仅简化了检测系统的硬件装置，并且可以扩大声学检漏方法的实际适应范围，能对低压、小流量的慢性泄漏实现及时发现、精准定位，满足了市场需求，解决了常规的方法在低压微小泄漏检测效果不好或者检测不出的问题，可以保障饮用水的安全性以及减少水资源的浪费。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
21.图1为本发明实施例提供的给水管道慢性泄漏的声学检测系统的示意图；
22.图1中：1
‑
第一声波传感器；2
‑
第二声波传感器；3
‑
声波数据采集卡；4
‑
声波数据处理装置；5
‑
给水管道；6
‑
泄漏点；7
‑
阀门；8
‑
地面。
具体实施方式
23.下面结合本发明的具体内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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他实施例，都属于本发明的保护范围。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
24.参见图1，本发明实施例提供一种给水管道慢性泄漏的声学检测系统，包括：
25.第一声波传感器1、第二声波传感器2、声波数据采集卡3和声波数据处理装置4；其中，
26.所述第一声波传感器1与第二声波传感器2分设在待检测泄漏点两端的给水管道上；
27.所述声波数据采集卡3分别与所述第一声波传感器1和第二声波传感器2电气连接；
28.所述声波数据处理装置4，与所述声波数据采集卡3通信连接，能接收所述声波数据采集卡3经所述第一声波传感器1和第二声波传感器2采集的待检测泄漏点两端的给水管道的两组声波信号，并对待检测泄漏点两端的给水管道的两组声波信号分别进行去噪处理
后得出两组泄漏声波信号，通过对两组泄漏声波信号进行互相关延时估计处理定位得出给水管道上的泄漏点位置。
29.上述系统中，所述声波数据处理装置4包括：
30.获取单元、声波信号去噪处理单元和泄漏点位置定位处理单元；其中，
31.所述获取单元，用于从预先建立的管道泄漏声信号数据库获取泄漏声波信号的频率范围和样本熵范围；
32.所述声波信号去噪处理单元，与所述获取单元通信连接，能根据获取的泄漏声波信号的频率范围和样本熵范围对两组声波信号分别进行去噪处理，得到去除噪声的两组泄漏声波信号；
33.所述泄漏点位置定位处理单元，与所述声波信号去噪处理单元通信连接，能通过去除噪声的两组泄漏声波信号，经互相关延时估计计算，求出两组泄漏声波信号之间的时间差δt，按以下公式求得泄漏点位置l1：
[0034][0035]
其中，l1为泄漏点距离第一声波传感器的长度；l为两个声波传感器安装位置之间的给水管道的长度；c为声波信号在给水管道中的传播速度；δt为第一声波传感器1与第二声波传感器2接收到的泄漏声波信号的时间差。
[0036]
上述系统中，所述声波信号去噪处理单元包括：
[0037]
声波信号分量分解模块、声波信号分量筛选模块和泄漏声波信号重构模块；其中，
[0038]
所述声波信号分量分解模块，通过经验模态分解将所处理声波信号分解成多个本征模态函数分量，每个本征模态函数分量的频率均不低于所述声波信号的频率；
[0039]
所述声波信号分量筛选模块，与所述声波信号分量分解模块通信连接，能将所述声波信号分量分解模块得出的每个本征模态函数分量的频率与所述泄漏声波信号的频率比较，筛选出频率值在泄漏声波信号频率范围的本征模态函数分量；通过样本熵函数求出剩余的本征模态函数分量的样本熵，将各本征模态函数分量的样本熵与所述泄漏声波信号的样本熵比较，筛选出样本熵值在泄漏声波信号样本熵范围所对应的本征模态函数分量；
[0040]
所述泄漏声波信号重构模块，与所述声波信号分量筛选模块通信连接，将所述声波信号分量筛选模块筛选出的符合泄漏声波信号的样本熵值范围和频率范围的本征模态函数分量，通过分量求和重构得到去除噪声的泄漏声波信号。具体筛选出的本征模态函数分量的个数依据样本熵值范围和频率范围确定。
[0041]
上述系统中，所述声波信号分量分解模块按以下方式对所处理声波信号进行经验模态分解，包括：
[0042]
步骤211，确定所处理声波信号s(t)的所有极大值与极小值，用两个光滑曲线串联所有极大值和极小值得到u(t)和l(t)，通过公式m(t)＝[u(t)+l(t)]/2计算得出u(t)和l(t)的平均值曲线m(t)；
[0043]
步骤212，利用得出的平均值曲线m(t)，通过公式c1(t)＝s(t)
‑
m(t)计算一阶本征模态函数分量c1(t)，之后通过公式r1(t)＝s(t)
‑
c1(t)计算剩余声波信号r1(t)；
[0044]
步骤213，将所述r1(t)作为所处理声波信号，重复进行步骤212的求一阶本征模态函数分量和剩余声波信号的处理，得出后续各阶本征模态函数分量和剩余声波信号，直至
求得的剩余声波信号为单调函数，即完成声波信号的经验模态分解，所处理声波信号表示为：其中，表示所有本征模态函数分量之和，c
i
(t)表示经验模态分解的各阶本征模态函数分量，i＝1至n，n为经验模态分解的本征模态函数分量的个数，r
n
(t)表示剩余信号；
[0045]
所述泄漏声波信号重构模块对筛选出的多个本征模态函数分量通过公式进行求和，重构得出去除噪声的泄漏声波信号，其中，c
i
(t)表示筛选出的各阶本征模态函数分量，i＝1至m，m为筛选出的本征模态函数分量的个数。
[0046]
上述系统中，各本征模态函数分量的瞬时频率通过希尔伯特
‑
黄变换的理论基础求得。
[0047]
上述系统中，所述泄漏点位置定位处理单元通过公式进行互相关延时估计计算，求出两组泄漏声波信号之间的时间差δt；
[0048]
所述公式中，t为泄漏声波信号在第一、第二声波传感器之间传播的周期，c为泄漏声波信号在管道中的传播速度，单位为m/s，l为第一、第二声波传感器在管道上之间的距离；τ为第一、第二声波传感器接收到泄漏声波信号的时间差δt；q1(t)表示第一声波传感器接收到的泄漏声波信号；q2(t)表示第二声波传感器接收到的泄漏声波信号。
[0049]
本发明实施例还提供一种给水管道慢性泄漏的声学检测方法，通过上述的声学检测系统实现，包括：
[0050]
从待检测泄漏点两端的给水管道上分别获取检测泄漏点两端的两组声波信号；
[0051]
对待检测泄漏点两端的给水管道的两组声波信号分别进行去噪处理后得出两组泄漏声波信号，通过对两组泄漏声波信号进行互相关延时估计处理定位得出给水管道上的泄漏点位置。
[0052]
上述方法中，按以下方式对待检测泄漏点两端的给水管道的两组声波信号分别进行去除噪声后得出两组泄漏声波信号，对两组泄漏声波信号互相关延时估计处理后得出给水管道上的泄漏点位置定位，包括：
[0053]
从预先建立的管道泄漏声信号数据库获取泄漏声波信号的频率范围和样本熵范围；
[0054]
声波信号去噪处理：根据获取的泄漏声波信号的频率范围和样本熵范围对两组声波信号分别进行去噪处理，得到去除噪声的两组泄漏声波信号；
[0055]
泄漏点位置定位处理：利用去除噪声的两组泄漏声波信号，通过互相关延时估计计算，求出两组声波信号之间的时间差δt，按以下公式求得泄漏点位置l1：
[0056][0057]
其中，l1为泄漏点距离第一声波传感器的长度；l为两个声波传感器安装位置之间的给水管道的长度；c为声波信号在给水管道中的传播速度；δt为第一声波传感器(1)与第二声波传感器(2)接收到的声波信号的时间差。
[0058]
上述方法中，对各组声波信号进行去除噪声处理的方式如下，包括：
[0059]
通过经验模态分解将所处理声波信号分解成多个本征模态函数分量，每个本征模态函数分量的频率均不低于所述声波信号的频率；
[0060]
将每个本征模态函数分量的频率与泄漏声波信号的频率比较，筛选出频率值在泄漏声波信号频率范围所对应的本征模态函数分量；
[0061]
通过计算剩余的本征模态函数分量的样本熵，将各本征模态函数分量的样本熵与泄漏声波信号的样本熵比较，筛选出在泄漏声波信号样本熵范围所对应的本征模态函数分量；
[0062]
通过对筛选出的多个本征模态函数分量求和，重构得出去除噪声的泄漏声波信号。具体筛选出的本征模态函数分量的个数依据样本熵值范围和频率范围确定。
[0063]
上述方法中，按以下方式通过经验模态分解将所处理声波信号分解成多个本征模态函数分量，包括：
[0064]
步骤211，确定所处理声波信号s(t)的所有极大值与极小值，采用两个光滑曲线串联所有极大值和极小值得到u(t)和l(t)，通过以下公式计算u(t)和l(t)的平均值曲线m(t)：m(t)＝[u(t)+l(t)]/2；
[0065]
步骤212，通过公式c1(t)＝s(t)
‑
m(t)计算一阶本征模态函数分量c1(t)，其中，m(t)为u(t)和l(t)的平均值曲线，通过公式r1(t)＝s(t)
‑
c1(t)计算剩余声波信号r1(t)；
[0066]
步骤213，将所述r1(t)作为所处理声波信号，重复步骤212的求一阶本征模态函数分量和剩余声波信号的处理，得出后续各阶本征模态函数分量和剩余声波信号，直至求得的剩余声波信号为单调函数，即完成声波信号的经验模态分解，所处理声波信号表示为：其中，表示所有本征模态函数分量之和，c
i
(t)表示经验模态分解的各阶本征模态函数分量，i＝1至n，n为经验模态分解的本征模态函数分量的个数，r
n
(t)表示剩余信号；
[0067]
所述泄漏声波信号重构模块将筛选出的本征模态函数分量通过公式进行求和重构得到去除噪声的泄漏声波信号，其中，c
i
(t)表示筛选出的各阶本征模态函数分量，i＝1至m，m为筛选出的本征模态函数分量的个数。
[0068]
上述方法中，各本征模态函数分量的瞬时频率通过希尔伯特
‑
黄变换的理论基础求得。
[0069]
上述方法中，通过将所述检测系统的第一声波传感器1与第二声波传感器2分设在待检测泄漏点两端的给水管道上，并经所述检测系统的声波数据采集卡3采集获取检测泄漏点两端的两组声波信号；
[0070]
通过所述检测系统的声波数据处理装置4对待检测泄漏点两端的给水管道的两组声波信号分别进行去噪处理后得出两组泄漏声波信号，对两组泄漏声波信号互相关延时估计处理后得出给水管道上的泄漏点位置定位；
[0071]
所述泄漏点位置定位处理中，通过公式进行互相关延时估计计算，求出两组泄漏声波信号之间的时间差δt；
[0072]
所述公式中，t为泄漏声波信号在第一、第二声波传感器之间传播的周期，c为泄漏声波信号在管道中的传播速度，单位为m/s，l为第一、第二声波传感器在管道上之间的距离；τ为第一、第二声波传感器接收到泄漏声波信号的时间差δt；q1(t)表示第一声波传感器接收到的泄漏声波信号；q2(t)表示第二声波传感器接收到的泄漏声波信号。
[0073]
本发明的系统及方法，利用两个声波传感器、声波数据采集卡和声波数据处理装置配合，对声波传感器的接收的声波信号进行经验模态分解、筛选及求和重构的方式去除噪声处理后得到滤波后的两组泄漏声波信号，通过对两组泄漏声波信号进行互相关延时估计处理定位求得泄漏点位置。
[0074]
下面对本发明实施例具体作进一步地详细描述。
[0075]
参见图1，本发明实施例提供一种给水管道慢性泄漏的声学检测系统，包括：第一声波传感器1、第二声波传感器2、声波数据采集卡3和声波数据处理装置4；其中，
[0076]
声波数据处理装置4能通过声波数据采集卡3经第一声波传感器1和第二声波传感器2获取待检测泄漏点两端的给水管道的两组声波信号，并对待检测泄漏点两端的给水管道的两组声波信号进行互相关延时估计处理后得出给水管道上的泄漏点位置定位。
[0077]
进一步的，声波数据处理装置由滤波去噪单元与数据分析定位单元组成。
[0078]
以检测给水管道泄漏为例，当某一段给水管道发生了泄漏，利用本发明的检测系统及方法进行检漏分为两部分，检测收集给水管道的声波信号与处理泄漏声波信号；
[0079]
收集声波信号：用第一、第二声波传感器接收给水管道的泄露点两端的声波信号(传感器与给水管道需要直接接触，两个声波传感器位置在给水管道的两端，接收到的声波信号包括管道泄漏声波信号与干扰声波信号)，接收到的声波信号通过声波数据采集卡收集，收集后保存声波信号数据。
[0080]
处理声波信号：在处理声波信号之前，从预先建立的管道泄漏声信号数据库获取泄漏声波信号的频率范围和样本熵范围，声波信号处理分为两部分，分为声波信号去噪和泄漏点位置定位；
[0081]
一是将获取的声波信息进行去噪处理，主要根据声波信号的频率和样本熵进行去噪，具体是：声波信号通过经验模态分解，分解成为多个本征模态函数分量(分解的分量个数由泄漏声信号的频率决定，当本征模态函数分量的频率低于声波信号的频率就停止分解，各本征模态函数分量的瞬时频率可通过希尔伯特
‑
黄变换的理论基础求得)，各本征模态函数分量的频率与泄漏声波信号的频率作比较，去除不在泄漏声波信号频率范围内的分量；再求剩下的本征模态函数分量的样本熵，各分量样本熵的值与泄漏声波信号的样本熵作比较，样本熵值有差别的为干扰声信号，则去除不在泄漏声波信号样本熵范围所对应的本征模态函数分量，将剩下的本征模态函数分量进行重构，至此，完成了声波信号数据的滤波去噪处理，得到去除噪声的泄漏声波信号；
[0082]
二是将经过去除噪声的两组泄漏声波信号进行互相关延时估计，求出两个声波传感器接收到的声波信号的时间差δt，测出两个声波传感器安装位置处给水管道之间的长度l，声波在给水管道中的传播速度c，可以现场计算或根据经验速度计算，泄漏位置l1可通过下式求得：
[0083][0084]
通过上述方法对有三通或者阀门管件的小管径、低压(0.1mpa)、微小的泄漏管道检测定位，定位分别相差0.29m和0.64m(标准为不大于1m)。
[0085]
本发明的检测系统及方法，利用两个声波传感器、声波数据采集卡和声波数据处理装置配合，对声波传感器的接收的声波信号进行去除噪声的滤波处理后得到两组泄漏声波信号，通过互相关延时估计处理定位求得泄漏点位置。相对于传统方法对声波信号的数据需通过滤波器或者在系统中加入信号放大器的方式，不仅简化了检测系统的硬件装置，并且可以扩大声学检漏方法的实际适应范围(常规的方法在低压微小泄漏检测效果不好或者检测不出)，能对低压、小流量的慢性泄漏实现及时发现、精准定位，满足了市场需求，可以保障饮用水的安全性以及减少水资源的浪费。
[0086]
本发明系统及方法中的经验模态分解、本征模态函数样本熵计算、本征函数分量的求和重构以及对分量进行希尔伯特变化求频率，都可以通过在mtlab软件中根据处理流程编写对应的处理代码进行计算得出。
[0087]
本领域普通技术人员可以理解：实现上述实施例方法中的全部或部分流程是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read
‑
only memory，rom)或随机存储记忆体(random access memory，ram)等。
[0088]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。