Page 84 - 无损检测2023年第三期

曹智敏, 等:

输气管道泄漏声波识别和定位方法研究现状

范围分类, 气体管道泄漏声波可以分为次声波信号、 信号的 去 噪 效 果 不 良, 小 波 包 则 弥 补 了 这 一 缺
声发射信号、 超声波信号。次声波不受管道材料的 点 [ 19 ] 。小波( 包) 的基函数、 分解层数对泄漏信号去
影响, 传播距离较远, 在非金属泄漏检测中应用较 噪效果影响很大, 选取的分解层数过大或过小, 都可
多。泄漏声发射信号频率范围较广, 当泄漏尺寸较 能造成泄漏信号去噪不足或信号失真, 探究最优的
小且雷诺数较高时, 泄漏气体与附近空气混合形成 小波( 包) 基函数对处理泄漏信号的意义重大。
湍流, 湍流处产生声波, 当空气中传播的声波振动频 经验模态分解( EMD ) 对非平稳泄漏信号的分

率高于20kHz时, 便产生空载超声波 [ 15-16 ] 。 析效果显著, 通过提取与管道泄漏相关的特征信息,
目前国内外学者对声波法泄漏检测和定位进行 来判别管道是否泄漏, 与小波分析相比, 其不需要选
了多方面研究, 文章梳理声波法在输气管道泄漏检 择合适的基函数, 具有自适应的特点, 但是在处理泄
测和定位方面的研究现状, 并对未来声学泄漏检测 漏信号时, 该方法容易产生端点效应和模态混叠问
和定位方法进行展望。 题, 为解决这一问题, 国内外学者开展了大量研究。
MENG 等 [ 20 ] 提 出 使 用 集 合 经 验 模 态 分 解 方 法
1 泄漏声波产生原理
( EEMD ) 和互谱分析同时对泄漏声波信号和负压波
当输气管道发生泄漏时, 管道内的介质从泄漏 信号进行降噪, 该方法不仅抑制了模态混叠, 还解决
点喷射流出, 同时管道压力和介质流速发生明显变 了声波法易受噪声干扰而出现误报的问题。此后还
化形成湍流。输气管道泄漏声波产生机制服从流体 有学者提出用变分模态分解( VMD ) 解决经验模态分

力学基本方程, 从 Naviere-Stokes波动方程出发, 解对噪声敏感和端点效应的问题, VMD 方法具有更
Li g hthill 波动方程进一步推导出了泄漏声源流场分 强的噪声鲁棒性和弱化端点效应的能力, 但是其需要
布情况, 介绍了自由空间内管道泄漏声波的产生机 经验知识选择模态分解层数和惩罚因子( 没有相应的
理, 如式( 1 ) ~ ( 3 ) 所示 [ 17 ] 。 准则), 经常需要优化 VMD 参数对泄漏声波信号进

∂ ( ) 2 ( ) ∂ 2 ( 1 ) 行降噪和特征提取。 HAO 等 [ 21 ] 提出了一种优化
2
ρ- ρ 0
2
∂t 2 - a 0 ρ- ρ 0 = ∂ x i x j T i j VMD分解层数参数的算法, 对管道多点泄漏信号进
2 ( ) ( 2 ) 行定位, 减少弱相关性和噪声的影响。还有学者提出
T i j = ρ v i v j +p i j - a 0 ρ- ρ 0 δ i j

δ i j = 1 ,( i= j ), 将 VMD法与其他算法结合对泄漏信号进行降噪,
, ( 3 )
p i j = p 0 δ i j - τ i j ), DIAO 等 [ 22 ] 提出粒子群优化( PSO ) 算法与 VMD 结
δ= 0 ,( i≠j
式中: 为气体密度; 为自由流体密度; t 为时 合, 用以优化惩罚因子等控制参数去除背景噪声。
ρ
ρ 0
和 为 上述时频分析方法对泄漏信号进行降噪时, 传
间; δ i j 为克罗内克符号; v i v j 为速度分量; T i j
2 / 感器采集的泄漏信号信息与噪声特性是已知的, 但
Li g hthill湍流应力张量; ∂T i j ∂x i x j 为 Li g hthill
四极子声源; 为压力张量; 为流场静压; τ i j 为 是在实际燃气管道工况中, 环境干扰噪声类型较多,
p i j
p 0
黏滞应力; i , 为自由指标。 且噪声信号强度多大于泄漏信号强度, 增加了提取
j
各项为零时, 表示管道未产生 泄漏信号特征的难度。盲源分离技术可以分离出泄
当式( 1 ) 右端T i j
ρ
泄漏声波。当管道发生泄漏时, v i v j 为有限值, 输 漏信号中无法直接观测到的未知原始信号, 且不需
气管道产生气体射流引发管道内流体紊乱, 此时会 要过多的先验知识, 适应能力强 [ 23 ] 。盲源分离技术
产生泄漏声波 [ 17 ] 。 的原理如图1所示。
2 输气管道泄漏声波识别方法
2.1 基于信号处理的泄漏识别方法
常用的泄漏声波信号处理方法主要有小波分
析、 小波包分析、 经验模态分解、 变分模态分解、 盲源
分离法等。小波变换可以观察到泄漏信号的局部特
征, 具有对泄漏信号在时频域进行多分辨分析和重
构的能力, 因此在管道泄漏识别中运用颇多。小波
分析对高噪声环境中的管道声发射泄漏信号去噪效 图1 盲源分离技术原理示意
果良好 [ 18 ] , 对低频信号分析有明显优势, 但对高频 图1中 s 1 k ), s 2 k ),…, s n k ) 为n 个原始泄
(
(
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2023年 第45卷 第3期
无损检测