Page 91 - 无损检测2023年第三期
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曹智敏, 等:

   输气管道泄漏声波识别和定位方法研究现状

   度往往很困难, 对时延方法进行改进或探究一种不需                          之间的关系, 建立三传感器能量衰减定位模型。此
   要时间延迟和速度进行泄漏定位的方法成为目前需                            模型不仅考虑了声波散射和热传导的因素, 还考虑

   要解决的问题。                                           了不同的声波频率成分对于幅值衰减系数和能量系
   3.2 基于声波衰减的泄漏定位方法                                 数的影响。当金属管道较薄时, 声发射信号幅值未
     当管道发生泄漏时, 泄漏处产生连续的声发射                           呈单调衰减趋势, 同时泄漏声波频率与传感器的频
   信号而且其频率成分非常丰富, 这些信号在实际传                           谱密切相关      [ 45 ] , 这为利用声发射泄漏信号衰减特性
   播过程中, 包含多种模态, 受到散射、 反射、 折射和模                      定位提供了参考。综上所述, 管道材料、 加工工艺、
   式转换的影响, 衰减极大           [ 42 ] 。声波在管道中传播           流动介质等条件, 以及泄漏声波频率, 管道泄漏定位
   时, 振幅和压强会呈指数规律衰减, 衰减公式为                   [ 43 ]  时放置传感器的方式等因素都会造成泄漏声波信号

                p x ) = p 0 ex p- αx )        ( 5 )  衰减特性产生变化。
                  (
                             (
   式中: ( x ) 为泄漏声波信号传播一定距离后的压                        3.3 基于特征参数的管道泄漏定位方法
        p
   强; x 为声波传播距离; 为声波的振幅; α 为幅值
                        p 0                            沿管道传播的泄漏声波信号通常是连续信号,
   衰减系数。                                             频率分散, 具有多种模态, 传播速度不稳定。在时频
       国内外专家、 学者对泄漏声波衰减特性展开了                         域上对泄漏信号进行处理可以提取到泄漏信号的参
   大量工作和研究, 目前研究集中于从气体声学和流                           数特征, 从而对泄漏信号进行定位, 均方根值、 平均
   体动力学角度出发, 探究泄漏声波的产生和衰减特
                                                     值、 方差、 幅值、 峰值、 能量、 振铃计数等特征参数通
   性, 并应用于泄漏声波信号定位研究。泄漏声波的                                                         [ 28 ]
                                                     常被用于泄漏定位。 BANJARA                探究了声发射
   产生机理主要由 Li g hthill波动方程和 FW-H 方程
                                                     信号振铃计数、 能量、 信号强度、 标准偏差和泄漏流
   解释, 输气管道泄漏声波以四极子声源和偶极子声
                                                     量的关系, 发现声发射计数、 声发射能量和信号强度
   源为主, 涡流是泄漏声波产生的根本原因                  [ 17 ] 。虽然
                                                     等声学特征是重要的声发射参数。 BANJARA 验
   文献[ 17 ] 未明确指出泄漏声波四极子声源和偶极子
                                                     证了声发射参数在识别和定位管道泄漏方面的有效
   声源的具体产生原因, 但为泄漏声波定位奠定了理
                                                     性, 并且发现声发射信号的一些特征参数可以反映
   论基础。 2015年, 刘翠伟        [ 14 ] 对泄漏声波定位技术进
                                                     泄漏速度的变化, 但是并未在频域上对泄漏声波进
   行了深入研究, 提出声波幅值衰减公式, 可以有效定
                                                     行特征提取。由于泄漏声波往往伴随着随机噪声,
   位天然气管道泄漏, 定位公式为
                                                     在时域上进行特征提取较困难, 部分学者将时域变
                      L   ln ( / )
                             p 2 p 1
                 y =    +                     ( 6 )  换为其他空间, 在其他空间提取特征参数。刘翠伟
                      2     2 α ( M )
   式中: L 为管道长度; 为泄漏点距离管道起点距                          等 [ 46 ] 利用 HHT ( 希尔伯特 - 黄变换) 方法对泄漏声
                      y
   离;    和     为管道上下游声波幅值; α ( M ) 为声波               波信号进行处理, 获得泄漏信号的幅频特性、 HHT
      p 1  p 2
                                                     三维谱能量及边际谱特性等7个声波特征量, 并通
   衰减系数。
       声波幅值衰减模型中, 声波幅值直接被用于泄                         过试验验证了 HHT 三维谱作为有效声波特征量的
   漏声波定位, 可不计算泄漏声波声速和时差, 较传统                         可行性。在管道泄漏早期直接提取泄漏声波信号的
   的互相关定位技术更加简洁和直接。为了验证声波                            时域特征往往不能正确反映泄漏信息, 而需要采用
                                                     时频联合分析信号处理方法对泄漏信号进行降噪

   衰减模型对于各种输气管道运行条件的适应性,
   2018年, 文献[ 44 ] 进一步分析了管道内黏性均匀流                    后, 再提取泄漏信号特征。
   动介质中粘滞吸收、 热传导和气体流动对于声波衰                           3.4 基于信息融合的管道泄漏定位方法
   减的影响, 利用理论和试验得到的衰减因子进行拟                             信息融合技术将多种传感器收集的信息或者复
   合, 进一步分析了泄漏声波在不同介质中的传播和                           杂实体提供的信息数据进行处理整合, 增强智能化
   衰减规律。上述研究表明, 声波振幅衰减模型相较                           分析处理水平, 最后对其进行决策               [ 47 ] 。信息融合技
   于传统泄漏互相关定位法有着更高的定位精度和更                            术与经典信号处理方法对管道泄漏信号处理时有着
   大的适用范围。此后, 部分学者考虑到了泄漏声波                           本质区别, 即信息融合技术可以处理泄漏检测中使
   信号频率和管道壁厚对于声波衰减特性的影响, 张                           用的多个传感器的信息, 并可以在数据层、 特征层、
   曦等  [ 42 ] 研究了声发射泄漏信号频率对声波衰减的                     决策层等不同信息层次发挥作用, 基于信息融合的
   影响, 得到能量衰减系数、 幅值衰减系数与信号频率                         泄漏定位原理如图5所示。由于管道泄漏时, 管道
                                                                                                3
                                                                                               5
                                                                             2023年 第45卷 第3期
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