（检测技术与自动化装置专业论文）基于多声学传感器的声发射检测技术的应用研究.pdf

浙江大学硕上学位论文 摘要 由于可利用水资源的日益减少，水资源的保护已引起很多国家的极大关注和 重视。管道作为城市供水系统中可利用水资源的主要载体，其安全性能己成为关 系民生的重大问题。然而近几年来管道事故频频发生，其中人为损坏所占的比重 越来越高，它造成了可利用水资源的极大浪费。因此，迫切需要一种检测手段不 仅可以监测水管道损坏活动而且可以检测到水管道泄漏点的具体位置。 在分析了声发射检测法的研究进展的基础上，针对国内外管道泄漏实时检测 的研究现状，提出了采用声发射检测法对管道损坏信号进行检测的方法，并根据 城市供水系统多种口径管道的特点，进一步论证了采用多声学传感器融合解决大 口径管道损坏的可能性，并从理论上证实了采用多声学传感器融合解决大口径管 道损坏的可行性。 检测系统的设计与丌发工作的顺利进行以及大量的试验环节的积极开展，为 系统最终在应用实践中证实了采用多声学传感器融合解决大口径管道损坏的可 行性。本文的主要工作及创新点如下： ( 1 ) 论证了采用多声学传感器融合解决大口径水管道损坏的可能性，并在对埋地 水管道破坏的声信号传播进行机理分析的基础上，从理论上证实了采用多声学传 感器融合解决大口径管道损坏的可行性。并明确了声学传感器的型号选择以及具 体的融合策略。 ( 2 ) 提出了检测系统的总体方案框架模式，即在数据采集单元部分采用基于 t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 为内核的d s p 系统而在上层管理单元采用虚拟仪器来完成界面 设计的框架模式。它是基于系统的具体指标要求，通过比较几种可能的方案而选 择的最佳方案。 ( 3 ) 开发了基于1 m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 为内核的d s p 系统。它主要采用c p l d + d s p 的 混合结构来完成核心部分的设计，通过c p l d 实现系统存储单元的控制。 ( 4 ) 开发了基于虚拟仪器上层管理单元的用户界面。虚拟仪器借助于图形化软件 开发环境l a b v i e w 的优势使上层管理单元的界面设计十分简单，l a b v m w 中包 括大量现成的信号处理模块，使系统在信号去噪处理以及信号分类等方面的处理 如鱼得水。 关键词：管道损坏，多声学传感器，信息融合，d s p ，虚拟仪器，l a b v i e w 浙江人学硕士学位论文 a b s t r a c t d u et ot h ed e c r e a s i n gw a t c rr e s o u r c e ，t 1 1 ei n c r e a s i n gn 啪b e ro fc o u n t r i e sb e g a n t oc a r ea b o u tt h ep r o t e c t i o no f t h ew a t e rr e s o u r c e t h ep i p e l i n eb e i n gt h em 旬o rm l eo f t h e c i t y s w a t e rs u p p l y ，i t sq u a l i t yb e c o m e sa i l i n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t i s s u e h o w e v e r ，p i p e l i n ea c c i d e n t sh a v e 疗e q u e n t l yo c c u 玎c do v e rm ey e a r s ，e s p e c i a l l yt h e m o r es e r i o u s l yi n t e n d e dm a n 班ew k c hh a sc a u s e d m g ew a s t eo f 也ew a t e rr e s o u r c e t h u sak i n do f m e a s u r c m c n ti sn e e d e du r g e n t l yw h i c hc a l ln o to n l yi n s p e c tt 1 1 em a l l g l e o f t h ep i p e l i n e ，b u ta l s od e t e c tt 1 1 ew a t e rl e a kl o c a t i o ni nb u r i e dp i p e l i n e s a i m i n ga tt h er e s e a r c ha c t u a l i t yi i l l a l l da 1 1 do v e r s e a si nt l l er e a lt i m ed e t e c t i o no f t h ew a t e rl e a k a g e 矗o mb 删e dp i p e l i n e s ，t h es y s t e mb r i n g sf o n v a r da c o u s t i ce m i s s i o n m e a s u r e m e n td c t e c t i n gm em a n 9 1 es i g n a l a c c o r d i n gt oa l ls o n so fc h a r a c t e ri nb u r i e d p i p e l i n e s ，t l es y s t e mp u t sf o n v a r dt h ea c o u s t i cs e n s o r s 如s et od e t e c tt h em a n 酉eo f t h ep i p e l i n e sb a s e do na n a l y z i n gt h ea c o u s t i ce m i s s i o nd e v e l o p m e n t ，a n dm e nm a k e s 跚r e 让i ef e a s i b i l i t yo fa c o u s t i cs e n s o r sf u s ed e t e c t i n gt h em a n g l eo f t h ep i p e l i n e sb a s e d o na 1 1 a l y z i n gt h et r a i l s m i s s i o np r i n c i p l eo f t h ea c o u s t i cs i 印a lc a u s e db yt h em a n g l eo f t h ep i p e l i n e si nt 1 1 e o 阱 t h es u c c e s si nd e s i g l l i n ga i l dd e v e l o p i n gt h ed e t e c t i n gs y s t e ma 1 1 di nd e v e l o p i n g v a r i o u se x p e r i m e n t sv a l i d a t e st h ef e a s i b i l i t yo fa c o u s t i cs e n s o r sf u s i o nd e t e c t i n gm e m a l l g l eo f m ep i p e l i n e si nt r u t l l t h em a i nw o r k sa 1 1 di 曲o v a t i v em e t h o d sa r el i s t e da s f o l l o w s ： ( 1 ) b r i n gf 0 1 w a r dt h ep o s s i b i l 畸o f m a k i n gu s eo f t h ca c o u s t i cs e n s o r s 如s et od e t e c t t h em a n 甜eo f 铂ep i p e l i n e s ，a 1 1 dt h e nm a k es m et h ef c a s i b i l i 母o fa c o u s t i cs e n s o f s 如s e d e t e c t i l l gt l l em a l l g l eo ft l ep i p e l i n e sb a s e do na i l a l y z i n gt l l et r a n s m i s s i o np r i n c i p l eo f t l l ea c o u s t i cs i g n a lc a u s e db yt l l em a n g l eo f t l l ep i p e l 抽e si nt h e o r mf j n a l l yc h o o s et l l e t y p eo f t l l es e n s o r sa c c o r d i n gt on l ea b o v er e s u l t ( 2 ) i nt h ec o u r s eo f d e s i g n i n gt h eg e n e r a lb l u e 埘n to f t h ed e t e c 埴n gs y s t e m ，t h e 矗棚e i s a d o p t e d t l l a ti nt h e p a r to f t h ec o l l e c t i o nt h ed s ps t n l c t u r es u c ha s t m s 3 2 0 v c 5 5 0 9i su s e da n di nt h ep a no ft h es u p p e rm a l l a g ei n t e r f a c ev i n l 豫l i n s t n l l t l e n ti se m p l o y e d i i 浙江大学硕士学位论文 ( 3 ) d e v e l o pt h ed s pc o l l e c t i o nc e l lb a s e do nm ek e m e lo ft m s 3 2 0 v c 5 5 0 9 ，w h i c h m a i n l ya d o p t st h em i x e ds t m c t u r eo fc p l d + d s p t od e s i g nt h ek e m e l ，a n dc o n t m l s t h cs t o r a g eo f t h ek e m e lb yt h ec p l d ( 4 ) d e s i g nt 1 1 ec o n s u m e ri n t e r f a c eo f t h es u p p c rm a n a g ei 1 1 t e r f a c eb a s e do nt h ev i n u a l i n s t n l l l l e n t t h ep r o c e s so fm ed e s i g 血n gt 1 1 ei n t e r f a c eb e c o m e ss i m p l e ro 、 r i n gt om e v i r t u a li n s 劬】m e mw h i c hr e s o r t st ot l l ea d v a n t a g eo f l a b v i e w ：i n c l u d i n gl o t so f r e a d y s i g n a lp r o c e s sm o d u l e s t h em e t h o d sm a i 【e t l l es y s t e ml i k ead u c kt ow a t e ri n e l i m i n a t i n gt h en o i s ea n dc l a s s i 匆i n g1 h es i g n a l k e y w o r d s ：m a l l g l eo fm ep i p e l i n e s ，a c o u s t i cs e n s o r s ，m e s s a g e 如s e ，d s p ，v i n l l a l i n s t m m e n t l a b v i e w i i i 浙江大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 声发射检测技术的发展历程 材料中裂纹及材料内部动态干扰产生的瞬态弹性波的现象称为声发射( a e ) 。 声发射是一种常见的物理现象，大多数材料变形和断裂时均伴有声发射，但许多 材料的声发射信号强度很弱，人耳不能直接听见，需要借助灵敏的电子仪器才能 检测出来。用仪器探测、记录和分析声发射信号以及利用声发射信号推断声发射 源的技术称为声发射检测技术。 现代声发射技术的开始以2 0 世纪5 0 年代初k a i s e r 在德国所做的研究工作为标 志。他观察到铜、锌、铝、铅、锡、黄铜、铸铁和钢等金属和合金在形变过程中 有声发射现象，最有意义的发现是材料形变声发射的不可逆效应，即材料被重新 加载期间，在应力值达到上次加载最大应力之前不产生声发射信号，材料的这种 不可逆现象即为k a i s e r 效应，他同时还提出连续型和突发型声发射信号的概念。 2 0 世纪7 0 年代初，d u n e g a n 等人开展了现代声发射仪器的研制，他们把试验 频率提高到l o o k h z l m h z ，这是声发射试验技术的重大进展。现代声发射仪器的 研制成功为声发射技术从试验室的材料研究阶段走向在生产现场监视大型设备 的结构完整性应用创造了条件。美国通用动力公司把a e 技术用于“北极星”导 弹壳体的水压试验工作，这标志a e 技术进入了应用阶段 2 0 世纪8 0 年代初，美国p a c 公司将现代微处理机技术引入声发射检测系统， 设计出了体积和重量较小的第二代源定位声发射检测仪器，并开发了一系列多功 能高级检测和数据分析软件，通过微处理机控制，可以对被检测设备进行实时声 发射源定位监测和数据分析。由于第二代声发射仪器体积小、重量轻且易于携带， 大大推动了声发射技术在现场检测的广泛应用；另一方面，由于采用奔腾系列的 微处理机和多功能检测分析软件，仪器采集和处理声发射信号的速度大幅度提 高，信息存储量增加，提高了声发射源的定位功能和缺陷检出准确率。 2 0 世纪9 0 年代，美国p a c 公司、d w 公司、德国v a l l e ns y s t e m e 公司和中国 广州声华公司先后开发了计算机化程度更高、体积和重量更小的第三代数字化多 通道声发射检测分析系统，除能进行声发射参数实时测量和声发射源定位外，还 可直接进行声发射波形的观察、显示、记录和频谱分析。 a e 现象主要是弹性体内动态干扰产生的纵波和横波，它被广泛的应用在容 器、输送管道、海洋石油平台等的检测和结构完整性的评价，其优点主要表现 为： 浙江大学硕士学位论文 ( 1 ) 声发射探测到的能量来自被测试物体本身，而不是象超声或射线探伤方法一 样由无损检测仪器提供，它是一种动态检验方法； ( 2 ) 声发射检测方法对线性缺陷较为敏感，它能探测到在外加结构应力下这些缺 陷的活动情况，但是稳定的缺陷不产生声发射信号； ( 3 ) 可提供活性缺陷随载荷、时间、温度等外变量而变化的实时或连续信息，因 而适用于工业过程在线监控及早期破坏预报； a e 技术的以上优点为其在水管道的破裂、泄漏检测以及人为损坏等方面的监测 的应用提供了有力的依据。 1 2 课题研究背景及意义 全球人口的持续增长、雨季的不规律变化以及供水系统频频遭到破坏等种 种因素，造成了世界各国可利用水资源的日益减少，因此，水资源的保护已引起 很多国家的极大关注和重视。管道运输是与铁路、公路、航空、水运并驾齐驱的 五大运输工具之一，在和我们日常生活密切相关的城市供水系统中发挥着重要的 作用。随着城市的进一步发展，管道作为城市供水系统中可利用水资源的主要载 体，其质量必将成为关系民生的大问题。 然而，我国供水管道存在管线长，管龄长( 很大一部分管道己有二十年以上 的管龄) 的问题，很多管道遭受到了腐蚀、磨损等自然或人为损坏，管道事故频 频发生。据统计，我国大中城市自来水的损失率大体在2 0 左右，达不到城市 供水2 0 0 0 年技术进步发展规划所规定的目标，同美国的8 以下、日本的l o 以 下、法国的9 5 以下及德国的4 9 的漏失率相比，还存在很大的差距。因此对 供水管道的监测不可忽略。 从近几年来所统计的各种管道事故来看，人为损坏所占的比重越来越高，施 工建设中的无序、野蛮挖掘；随意钻孔套接支管等行为已经严重影响了城市供水 系统的管道安全，造成了可利用水资源的极大浪费，甚至常常给人们的日常生活 和工作带来不便。因此，迫切需要一种检测手段不仅可以监测水管道损坏活动而 且可以检测到水管道泄漏点的位置，从而有效减少水资源的浪费。这就是本课题 研究的背景以及检测系统设计和开发的初衷。 目前，水管道人为损坏的主要表现形式有挖掘、切割、钻孔，冲击等，而自 然损坏的主要表现形式有腐蚀、磨损等，泄漏是这两种损坏都可能导致的结果。 无论何种损坏或者泄漏都可能在管道材料内部产生干扰或者造成管道材料的裂 变，而材料内部的裂变或干扰所产生的弹性波就是声发射信号。声发射技术正是 基于此机理而被应用在管道无损检测中。然而我国广泛使用的管道检测的方法仍 浙江大学硕十学位论文 然是人工巡查和依靠听音辨漏，这种方法很不可靠，因为对埋在地下数米的管道， 特别是较小的泄漏，人耳是很难分辨的，更谈不上能监测了。由于监测有实时的 要求，这对人的要求就更高。所以，寻找一种可靠的、不依赖于人的检测方法迫 在眉睫。 1 3 基于多声学传感器的声发射检测技术的提出 就管道泄漏的实时检测而言，目前国内外采用的方法很多，有：水核查法、 压力流量模型法、质量流量平衡法、负压力波法、声检测法( 包括声发射) 等1 2 j 。 国内应用最多的是负压波法、质量流量平衡法，其特点是方法原理简单，系统 构造较容易、测量间距较大( 2 0 k m ) 、易维护，对于管道的泄漏检测是极其有效 的。但是这些检漏方法只有在管道运行参数发生异常变化时，即泄漏已经发生时 才有效。当挖掘、钻孔等人为损坏活动已经完成并开始漏水从而导致管道运行参 数发生变化时，泄漏检测系统可根据泄漏情况的发生而判断管道附近是否有损坏 活动，所以具有明显的滞后性，因此不能有效减少水资源的损失。而最佳的检测 方法应该是不仅能对水管道损坏的最终结果泄漏进行有效的检测且定位，而 且能够对管道损坏的过程进行监测，特别是人为损坏的过程进行监测及定位。这 样做的目的是希望在管道刚遭受损坏时，就能够被检测到，而不是等到泄漏已经 发生之后才检测到，这样就能尽早的赶到损坏点，采取措施有效的减少或制止水 资源的损失。 鉴于对管道损坏过程监测的重视，中国石油股份公司于2 0 0 3 年1 1 月在杭州 召开了关于针对输油气管道防盗、打孔、钻孔等人为损坏活动和泄漏检测技术成 果交流大会，这些成果同样对水管道损坏的监测有很大的借鉴作用。与会的国内、 外众多科研究单位和公司展示了最新的科研成果和商业应用系统，如英国的e s i 、 s h e l l 石油公司、澳大利亚的f u t u r cf i b r et e c l l i l o l o g i e s ( f f t ) 、美国能源部的g a s 1 h 1 1 n 0 1 0 9 yi n s t i t i l t e ( g t i ) 等，其中采用负压波法占2 5 ，声检测方法有1 5 ，统 计检漏法有3 家，质量流量平衡1 0 ，光纤检测法2 家等。但能对管道损坏过 程进行有效监测的目前只有光纤法和声信号检测法【”。 光纤传感技术( f i b r e0 p t i ct e c h n o l o g y ) 是刚刚应用于管道损坏过程监测方面 的新技术【，可对管道的过程参数和异常情况( 如管道开挖、泄漏、人为，自然损坏 等) 进行实时监测、定位。由于该项技术中的某些环节被技术垄断，且价格昂贵， 故短期内很难在国内得到真正的广泛应用。 声信号检测法是随着传感器技术、声发射( a e ) 技术以及信号处理等技术的 发展而逐步应用于输送管道的检测领域。 浙江大学硕士学位论文 1 3 1 国外声信号检测法研究进展 在传感器技术方面，随着现代传感器技术及电子技术的发展，智能传感器的 概念开始提出，即相应的产品增加了采集系统智能识别传感信息的电子线路、内 置放大电路( i c p ) 等。美国i e e e1 9 9 9 年推出了智能传感器的相关标准p 1 4 5 l ”。， 因此相关厂商p c b 、b & k 、l a i l c e 的振动传感器和声音传感器的性能也得到非常 大的改善，都在向小型化、智能化方向发展，并且已经有多项专利”1 。因此声信 号检测在管道上的应用受到普遍的重视，美国b a n e l l e 等研究所和g t i 所资助的 多家公司已开展利用声学传感器对长管线进行实时监测的研究，并将其列为2 1 世纪油气管道监测最有前景的技术之一【7 】。 在声发射( a e ) 技术方面，美国通用动力公司把a e 技术用于“北极星”导弹 壳体的水压试验工作，这标志a e 技术进入了应用阶段，到2 0 世纪9 0 年代初， 由于计算机和数字信号处理技术的迅速发展，使声发射技术开始进入一个新的发 展阶段，声发射技术也因此逐渐应用到油气水等输送管线的检测上，加拿大 n a t i o nr e s e a r c hc o u 玎c i l 的研究入员一直在致力于声信号在管道上的泄漏检测和 损坏过程监测，包括有铸铁管道、钢管道、p v c 管等，将基于声信号的无损检 测作为其重要的发展方向| 8 】。并取得了许多成功的经验。原则上探头间隔要看测 量条件下a e 的信号衰减量，此外它对小缺陷的检测比较敏感，但一般其检测的 信号频率均较高，对于管线中低频信号的传播可能不是很敏感。测试过程中会受 到一些因素的制约，如介质是水，油或者空气，气体是干燥的还是湿的，压力是 否充分高，管线埋地与否，被埋覆盖土壤的干、湿程度等【9 1 。 在信号处理方面h v t f u c h 1 9 9 1 ) 等积极的用声信号检测法来监测城市地下 水管道的泄漏、断裂和人为损坏活动，主要采用了f f t 和相关分析处理信号， 并开始在硬件设计中引入数字滤波器进行去噪”q 。d g e o p h v s ( 2 0 0 2 ) 应用声学法 检测城市地下水管道的断裂，并利用有限元对振动信号传播的几种模态进行了数 值模拟，对管的自然频率进行了分析，成功地检测到管壁上的孔和裂口】。 总的来说，对于管道泄漏检测以及管道过程损坏的监测，采用声信号检测方 法在国外虽然取得了一些成果，但还是未能大范围应用于工业现场。 1 3 2 国内声信号检测法研究进展 国内近几年来将声信号检测技术应用于水管道泄露检测以及过程损坏监测 的研究已经相继展开，但总体还是处于引进吸收、研制开发的阶段。利用国外的 声学传感器在管道泄漏点的确定，管道人为损坏的监测和定位等方面的各种试验 研究已经取得初步成果。各种滤波技术和算法在声信号的处理上发挥着重要的作 4 浙江大学硕士学位论文 用。如根据信号和噪声的频谱不同，常用的抑制噪声滤波器可分为低通滤波器 ( l p f ) 和带通滤波器( b p f ) 等。但由于管道破坏所产生的声信号并非单纯的某一个 频段，可能分别集中在邻近的几个不同频段内，因此单纯依靠滤波技术很难对声 信号进行有效的分析。常用的算法有快速傅立叶分析( f f t ) 、神经网络、小波分 析以及统计学习理论等，这些新的信号处理方法的出现，将声信号的分析和处理 推到了一个新的高度。 目前，国内在声信号检测应用于管道泄漏及过程损坏的研究中，普遍的重点 还是放在采集后的声信号的数据处理上，而对声学传感器采集之前管道泄漏及过 程损坏的声信号的研究，还是不多的。如陈玉华等( 2 0 0 2 ) 将基于f f t 的谱分析方 法和相关分析方法相结合对声发射信号进行了分析，并进一步的阐述了埋地管道 和地表管道产生a e 信号的传播特性以及防腐涂层和土壤对信号传播的影响“。 王强等( 2 0 0 5 ) 采用声发射技术与小波包理论相结合的方法对输油管道破坏点的 定位进行了研究，即用小波包理论对a e 采样数据进行分频和消噪，再计算管道 泄漏点的位置，取得了比f f t 更好的效果i ”1 。谷小红等( 2 0 0 5 ) 采用小波包分解与 能量特征提取相结合的方法来确定水管泄漏的位置也取得了不错的效果。但这几 种方法也有其局限性。比如受声学传感器的影响很大( 如对于大口径结构的管道 或复杂结构的管道，单一种类的少量传感器对管道泄漏及过程损坏所产生的声信 号很可能不敏感1 等。 声信号检测法除了声发射检测一个分支之外，还包括超声检测这方面的内 容。超声检测主要用于两大领域，一是利用它的能量来改变被测物体的某些状态， 如材料加工、焊接等；二是利用它的特性来采集信息，特别是材料内部的信息， 它能穿透任何材料，如超声探伤、超声诊断等。 由于水管道破裂、泄漏以及人为损坏等方面所产生的声信号的传播频谱主 要集中在较低频率( 这一点将在第二章中具体分析) ，这不可能是超声检测的内 容，因此它属于声发射( a e ) 检测的范畴。 1 3 3 基于多声学传感器的声发射检测法的提出 声发射检测技术的基本原理是当管内液体从从裂缝泄漏时，管内外的压力 差，使得泄漏的液体通过漏点或裂缝到达管外时会产生涡流，涡流产生振荡变化 的压力或声波，声波可传播扩散到泄漏点，并在管道内建立声场，同时将泄漏时 产生的噪声作为声源，通过设置好的传感器拾取声波，进行处理，以确定是否发 生泄漏。如自来水管道破损的检测等。管道上的人为损坏活动( 冲击、挖掘、钻 孔等) 所产生的声信号往往比泄漏信号更强烈，会更易检测到。 浙江大学硕上学位论文 近几年来在声学传感器中使用最多的是振动传感器，这很大程度是由于其安 装简单方便，对管道的非侵入式等特点所决定的。而对于深入管内测量的声学传 感器，虽然安装比振动传感器复杂，但也有其优点，比如受外界干扰少，更容易 测量到大口径或复杂管道的泄露以及人为损坏所产生的声信号等。基于以上特 点，若能够将这两种传感器有效的结合起来，发挥各自的优点，在针对各种结构 的管道泄漏及人为损坏的声信号的检测中，效果或许更加理想。据了解，城市供 水系统中所使用的管道通常口径有很多种，结构也多样化，因此，将这两个传感 器结合起来应用于城市供水系统的水管道泄漏及人为损坏的声信号检测，效果将 更加理想。本课题所设计的应用系统正是采用了振动传感器和水诊器相结合的方 法来采集声信号，从而及时的了解管道运行的状态。对于管道泄漏点或人为损坏 点的定位普遍采用的方法还是互相关分析法，这将在第五章上层管理单元中有关 数据信号处理的部分再作论述。 1 4 本文的主要工作 针对城市供水系统中管道事故频频发生、管道泄漏及人为损坏越来越严重 的窘态，本课题从改进声信号检测的方法入手，提出在城市供水系统的管道泄露 及人为损坏的检测中采用振动传感器和水诊器相结合，这样能有效的检测到水管 道泄露或人为损坏时产生的声发射信号，从而起到了监测作用，同时根据已有的 理论，将采集到的声信号进行数据处理，并根据互相关分析法定位泄漏点或损坏 点的位置。本课题旨在建立这种基于多声学传感器的水管道泄漏或人为损坏的检 测系统并试图考虑产品化，尽管距离最终目标还有很大差距，但从设计和开发的 过程来看，还是有不少收获，具体如下： ( 1 ) 提出基于多声学传感器检测城市供水系统的管道泄漏及人为损坏等所产生 的声信号，并根据采集到的声信号数据处理后进行相关定位。这套方案已经 利用实验室的一套检测设备在管道上进行了试验，证实了它的可行性。但定 位仍然有误差，这与采用的算法以及信号分析有关。 ( 2 ) 提出了分步骤完成系统设计的构想；即首先使用一套成熟的采集器，利用虚 拟仪器图形化的编程环境l a b v i e w 软件构造的用户界面与之组成一套完整 的检测系统，在界面设计中完成数据处理和各种显示储存打印等功能。第二 步将自主设计一个采集器与已有的运行界面相联接组成一套检测系统。采集 器的设计考虑搭建d s p 系统来完成其功能。第三步就是产品化的过程，即 在功能已经完成的基础上，考虑工艺要求、施工安装的方便以及系统运行的 可靠性等因素。这种构想实践证明也是可行的。 浙江大学硕士学位论文 本论文的主要内容安排如下： 第一章绪论，首先介绍了声发射检测技术的发展历程，然后介绍了本课题研 究的背景以及积极意义，再接着介绍了国内外在管道泄漏检测中所采用的主要方 法，进而针对声发射检测法的研究现状，提出了基于多声学传感器应用于城市供 水系统中的管道泄漏及人为损坏的声信号检测的可能性。最后简要介绍了本文的 主要研究工作和构想。 第二章对埋地水管道泄漏以及人为损坏的声信号传播进行了机理分析，阐述 了管道中f 1 波( 流体波，f l u i dw a v e ) 和s = 2 波( 结构波，s h e uw a v e ) 在o 8 0 0 h - z 内衰 减情况。根据管道的机理分析，理论上证实了基于多声学传感器应用的可行性， 并对多声学传感器进行了简单的o r 型融合。最后选择合适的声学传感器。 第三章介绍了整个检测系统的设计构想，并重点围绕声信号的采集以及上层 管理单元的几种方案进行了比较分析，最后根据实验室实际情况选择了一种合适 的系统实现方式，即采用d s p 系统所构建的数据采集单元以及虚拟仪器的图形 化编程环境l a b v i e w 设计的用户界面所构建的上层管理单元。 第四章介绍了基于d s p 系统的信号采集单元的具体设计实现，主要从系统功 能的需求出发来介绍采集单元的软硬件设计。 第五章首先介绍了上层管理单元的主要功能，然后介绍了虚拟仪器以及它的 图形化编程环境l a b v i e w 的使用特点，最后重点讨论使用l a b v i e w 软件设计上 层管理单元的用户界面的前面板以及流程图的实现过程。 第六章对本文所作的工作做了一个简单的总结，并对后续的工作提出了展 望。 7 浙江大学硕士学位论文 第二章基于多声学传感器的埋地管道损坏可行性分析 2 1 声波在埋地管道模型中的运动状态 2 1 1 声波介绍“ 声音是一种机械扰动在气态、液态和固态物质中传播的现象，其频域宽广。 声音是由声源的机械振动产生的，声源的振动状态，通过周围介质向四周传播就 形成声波。声音不仅可在空气中传播，也可在液体和固体中传播。比如当人潜入 水中，可能听到远处石块投入水中的声音。因此，一切弹性介质都可以传播声音， 且声音的传播与介质本身的弹性及惯性有关。如果弹性介质中某处的粒子产生振 动，由于粒子之间的相互作用，振动会在介质中从一个粒子至4 另一个粒子以某一 速度传播下去。介质质点的振动状态在介质中的传播过程，即声波的传播过程。 当振动在气体和液体中传播时，形成压缩和伸张交替运动现象，所以声音在 流体介质( 水) 中表现为压缩波的传播，即纵波。在固体中由于有切应力，所以除 有纵波外还有横波( 介质粒子的振动方向垂直于波的传播方向) 。波在传播过程 中，遇到不同介质的界面时会产生反射和折射，波在界面上反射时要产生波型转 换，同时出现纵波和横波。甚至在固体表面还会出现沿表面传播的表面波，如 r a y l e i 曲波等“。介质中振动传播过程有时间滞后，即声波在介质中传播有一 定速度，称之为声波的传播速度。 理论上当水管道遭受到损坏的作用力时，作用点的受迫振动不仅会在弹性介 质金属管道中传播，也会在管道内部的水介质中传播，通过检测传播到管道各点 的声波信号，可实时监测水管道的动态损坏程度，起到监控的作用。若再通过互 相关分析，结合波在管道中的传播速度，可对损坏源位置进行定位。但实际上各 种波的传播模式很复杂，甚至速度都会随频率而变化，波的衰减也是不同的，因 此有必要从理论上分析埋地管道壳体运动方程的相关内容，分析波在传播过程中 的衰减特性，寻找能量波传播的主要方式，讨论实际声信号可能被检测到的传感 间距，为进一步的信号处理和现场实验指明方向，并分析传感器贴在管壁和伸入 管内流体所检测到不同信号的差别，为多声学传感器在本系统中的使用在理论上 提供可行性分析。 2 1 2 埋地水管道模型的运动方程。明 在连续介质中，任意一点附近的运动状态可用压强、密度及介质运动速度表 浙江大学硕十学位论文 示。为了使计算简化，作如下一些理想情况的假设。首先，假设介质是理想的流 体介质，即认为介质运动过程中没有能量损耗。其次假设介质是连续的，只考虑 介质分子运动的平均特性，而不考虑分子的单独运动。再假设介质是静态的，而 且是均匀的，即认为流体本身的流动速度与声波传播速度相比甚小，可略去不计。 均匀性是指介质在几个波长范围内，其有关声学的力学参数基本不变。由此所得 的结果仍可给出声传播的基本特性，说明声传播的基本现象及解决声学基本问 题。原则上讲这些假设条件对以下流体动力方程的分析是必不可少的。 图2 1 九堡地区的供水埋地管道 试验所采用的埋地水管道实际情况如图2 1 所示，我们为之建立管道数学模 型来进行分析，如图2 2 ，水管道比作无限长的圆柱壳体，水管道破坏的声信号 的传播可近似视为一维声波( 纵波) ，质点振动和声波传播在同一方向，即沿z 方 向( 轴向) 传播，d 表示径向方向，是切向方向。甜、v 和w 分别为壳体的轴向、 切向和径向位移，切向位移v 视为零，并且管的弯曲可视为不计。融和砌分别 为管内流体和外部介质作用在壳体上的压力，根据理想条件下所做的几个假设， 利用流体动力方程式对声波在管中传播进行分析。 图2 2 处于连续介质中的充液圆柱管模型 9 浙江大学硕士学位论文 由水管道轴向的力平衡原理有 p u = a o 。f 瓠 同时根据径向的力平衡可知： 乃( 口) 。以( 蝴詈= + 删 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) p 是管体材料密度，吣印分别是轴向、环向应力，口是半径，厅是管壁的厚度( 脒勺) 。 根据h o o k e 定律吣即可表示为： ：三( 竺+ ，宴) 2 再i + ”秽 盯，：三卑+ ，马 吒2 再【瓦w i ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 式中e 、v 分别是管壁材料的杨氏弹性模量、泊松比，m 砌和锄函是轴向和切 向应力。 联立方程( 2 1 ) 和( 2 4 ) 可得 舻专c 窘+ = 。p 护再( 萨+ ：面) 5 o 同样联立方程( 2 - 2 ) 和( 2 3 ) 可得： p 驯+ 告呼抑詈 = 防( 口卜以( 硼暑p 驯+ 西r 唁抑面 _ 防( 口) 一以( 硼盖 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 5 ) 和( 2 6 ) 式是耦合壳体方程在n = 0 模式下的运动方程，由这二式可得出声波的 轴向位移“和径向位移w 解的形式： l o ( 2 7 ) x廿 o pu ：州 = “ 浙江人学硕士学位论文 w = 睨p “吨” j = 1 ( 2 8 ) 是角频率，k 是j 波的轴向波数。u 、嵫分别是s 波径向位移，轴向位移的幅 值。当管中内部介质为流体时，不会有剪切波。内压力力可用零阶b e s s e l 函数 来描述： 乃= 见厶( r ) 却 5 = j ( 2 9 ) 根据前面的方程，管道内介质的压力p 。可表示为二个零阶h a i 】h e 函数的级数和 形式，即为纵波( 1 0 n g 咖d i n a lw a v e ) 和剪切波( s h e a rw a v e ) 产生的压力项之和： 下标出、坶分别指纵波和剪切波。 综合以上几个公式整理可得： ( 2 - 1 0 ) ，嘶2 鑫一掣鑫一泐警z 。一泐掣删， 一 e h k ：一k ： e h “ e h ，一一1 2 丛墨丘! ! 星竺! 一 圪域( d ) ! 咝堡! ! 丝! kq ( 口) ( 2 一1 2 ) 式( 2 1 1 ) 和( 2 - 1 2 ) 中p ，、m 表示管外介质的密度，幻、鼻分别是管外介质中 纵波和剪切的波数，毋、占k 分别是管内、外介质的体积弹性模量孙。分别是纵 波和横波的波速，z 出、分别表示为纵波和横波在管外介质中的阻抗，方程( 2 1 2 ) 给出了波在周围媒介中的阻抗的表现形式。 对于j = j 波( 主要成分为流体波) ，如果白要是远远大于平面压缩波的波数缸， 可以认为砰) ：，则可将( 2 1 1 ) 作相应的转换，表达式为： 1 一| i ；日2 一v 2 = 掣鑫嘲警钿嘲警。丁蔫_ 1 缈i 产乃，1 z 产o ( 2 1 3 ) “甜 弦靠 ：d + x“舭 p 力 “ 日 ：蹦 = 浙江大学硕士学位论文 尼? “；1 + 面硒二丽焉巧而瓦 ( 2 。1 4 ) 引入了阻抗z 小幻l ，其中4 l 十豺广尺，。r 卜f 埘o ，七，为管内流体自由场波数，管中流 体和管壁的硬度( 5 ，咖瞎0 成分为2 毋亿和研，管壁的质量成分( 舶卵w 口 肌螂咖厅。，m 耐为径向质量( m d 抽，j d 行m 础s ) ，r 倒为外部媒介的阻抗，接下来分 析几种情况： ( 1 ) 如果水管周围介质的密度很小，鄢么放射性阻抗膨刊和r 删与础2 相比可以 忽略不计，这种情况就相当于水管裸露在外边，幻可以表示为： 牡咖+ 孟掣嘉) ( 2 - 1 5 ) 在这种情况下认为管道周围无媒介，传播的波数会随着频率的增加而减少。 ( 2 ) 当信号处于低频率的时候，与管道的硬度彤妇2 相比，管道的惯性和径向质量 比较小。此时的幻可以表示为： 牡砖( 蔬 p 旧 ( 3 ) 由于受到水管管壁的影响和周围介质的影响，波数岛会逐渐增加。此外如果 放射阻抗的值为零，那么，缸还将会有一个虚部，表示波传播的过程中会有 一部分放射到周围媒介中去。幻可以表示为： 弘t ；( ，+ 研砰砚i 若i 丽 位 上式中叩是材料损失因子，上式表明在低频段，周围媒介对波传播几乎没有 什么影响，此时波传播的损失主要是在水管内，而当处于高频时，向周围辐 射引起的损失占主要部分。 对于s = 2 壳体波( 妇棚w 盯w ) 的分析与s = 流体波的分析方法是相似的，这里 就不再论述了。 波在传播过程中的衰减特性与无因次波数的虚部是有关的，单位传播距离上 损失的分贝数表示为： 蚓柏= 警 ( 2 18 ) 根据运动方程( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 式，埋地管道中人为损坏以及泄漏信号的频率一般小 1 2 浙江大学硕士学位论文 于管的振荡频率( 1 0 0 0 h z ) ，一般传感器对于” 1 的高阶壳体传播模态波响应是很 弱的，而在管道中传播的信号能量主要是以：行= 0 波和行= 1 波的不同形式进行能量 传播。竹= 1 波和柱的弯曲有关，而文中将柱的弯曲近似不计。对于胪o 波，有3 种 轴对称形式的波，第一种为严1 ，是主要的管内介质传播的波，第二种为5 - 2 ，是 壳体中的压缩波；第三种为f 0 ，是剪切波且和液体是无耦合关系的。金属管道 的一些材料特性常数的选取根据文献【1 7 】，弹性介质中充水钢质管道的波衰减特性 与无因次频率q 的关系曲线如图2 3 所示。对于金属管道f l 、s = 2 的声波，在整 个无因次频率范围内其单位传播距离上的衰减很小，而当s 3 时其衰减程度很 快；对于p v c 管道，s = 1 和s = 2 的波在整个无因次频率范围内其单位传播距离 上的衰减同样很小。而当s 3 时其在整个频率范围内衰减很快。当管壁材料 不同时其波在传播过程中衰减特性不同，金属管道的衰减要比p v c f 塑料) 管道的 衰减小很多。 3 2 0 0o 。51 ，o1 52 0 图2 3 充水钢管道的波衰减曲线( 横坐标为无因次频率q ) s _ 1 ；s _ 2 ；s 3 所以水管道损坏以及泄漏信号中受关注的应该是s = l 、乒2 波且是其中频率 较低的信号。 2 1 3 多声学传感器测量大口径管道的可行性 对于j = l 波，即流体波，它是管道损坏信号在管道中传播的一种波的主要表 现形式，当声音传感器( 水诊器) 伸入到管内时，所检测到的主要就是这种波。而 对于s = 2 波，即壳体结构波，它是管道损坏信号在管道壁面中传播的波，当振动 传感器嵌入到管壁面上时，所检测到的信号主要就是这种波。 从目前的参考文献来看，金属管道中水在通过孔和裂缝( 泄漏) 时，产生的声 尸、；。：，l叶，醇0l。讣，l 浙江大学顿十学位论文 信号一般在5 0 0 8 0 0 h z 之间；对于冲击型的管道损坏信号，如挖掘等，则检测 s = 1 波的效果会比较好，但其主要频率成分会分布得较散，从3 0 0 h z 以上和5 0 0 h z 以下都会有较突出的能量谱；而对于钻孔慢慢旋转则产生的能传播较远距离的信 号频率会较低，检测s = 2 波的效果会比较好，大部分能量会沿着管壁传播较快。 当管壁材料不同时，其波在传播过程中衰减特性不同，钢制管道的衰减要比p v c 管道的衰减小很多。用声音传感器时检测的主要是s = l 液体波，对于p v c 管主 要应该集中检测s 一2 波且频率小于1 0 0 h z ，而对于金属管道频率分布相对较散， 可以同时检测s = 1 、2 二种波，频率范围在1 0 0 1 0 0 0 h z 。 金属管道是本系统的研究重点，因为城市供水系统所采用的管道以金属管道 居多。管道破坏信号一般处于2 0 8 0 0 h z 的范围。但有一点应该明确，以上的 这些研究是在假设目标信号的传播是单模态、无散射的波，以一定的速度，且和 低频成一种渐近的关系的前提下才成立的。实际上当有泄漏和破坏信号时，会产 生几种模态，出现散射现象。当管道口径较小时，信号散射不严重，我们可认为 以上的假设条件成立，而当管道口径较大时，散射现象比较严重，在全管道范围 内，以上研究很难成立，但我们可以根据多点测量的思想，将管道区域化，增加 测量点使在局部范围内以上假设成立。这样就需要多个传感器来完成这个条件。 由于供水系统的管道很