Page 163 - 《应用声学》2022年第1期

第 41 卷 第 1 期 张曦等： 声发射衰减特性管道泄漏定位方法 159

的复杂性，声场扩散 (包括速度变化和振幅衰减) 难
0 引言
以识别，许多研究者开发了传播模型来预测声波
管道系统在生产生活中应用广泛，对于管道系 的速度和振幅。Sun 等 [15] 的实验及数据分析显示
1500 kHz 以下有多个频带存在不对称声传输，验证
统任何潜在的或实际的结构完整性损害的检测非
了发射频率对声波衰减的影响。Liu等 [16] 研究了不
常重要。目前已有许多管道泄漏检测方法提出，其
同截止频率下的振幅衰减系数，发现黏热效应是导
中声发射 (Acoustic emission, AE)技术是一种被动
致振幅衰减的主要原因。
的泄漏检测技术 [1] ，它对管道中的缺陷点发出的信
目前利用声波的衰减特性定位泄漏已考虑了
号具有很高的灵敏度，利用声发射的长距离传播特
材料吸收和散射等因素，但是泄漏声发射信号频率
性可有效监测管道系统 [2−5] 。例如，Anastasopoulos
较高且频带较宽，必须还要考虑信号频率的影响。
等 [6] 讨论了声发射产生与管道泄漏检测相关的物
本文首先考虑声发射波在管道中传播时受到管壁
理问题，包括该技术的优缺点和要求，以及所需的设
晶粒散射及热流吸收的影响，建立声发射衰减模型
备。Mostafapour 等 [4] 建立了由泄漏引起的管道振
并实验测量不同频率成分的幅值和能量衰减系数，
动产生的声发射模型，并用实验进行了比较。Mao
然后根据声发射信号时域及频域特征建立声发射
等 [7] 提出了一种新的声发射模型，用于现场监测桩
源定位模型，并与传统衰减定位模型比较，验证模型
荷载过程中地基土的性状，该模型在技术上也适用
的准确性。
于埋地管道。
管道发生泄漏时，泄漏源连续恒定且频率成分 1 声发射源定位模型的建立
丰富，因此记录的信号中包含多种模态的复杂混
合 [8] 。同时，连续声发射波形缺乏可以在传感器之 1.1 声发射衰减模型的建立
间识别和跟踪单个事件的时间结构，还受到散射、反 1.1.1 声发射波传播原理

射、折射和模式转换的影响，因此，使用原始声发射 声发射完全具有声音的属性，它在介质中传播
信号进行源定位不仅十分困难，而且通常是不准确 时，其振幅和声压会随着传播距离的增加而按照
的 [9] 。Shehadeh 等 [10] 评估了声发射连续声源在时 指数规律衰减，声压随传输距离衰减规律如式 (1)
域和频域上的畸变，认为能量衰减技术是唯一一种 所示：
可用于无时间结构连续声发射源定位的方法，且可 −αx
P (x) = P 0 e , (1)
通过对特定频率成分进行滤波提高定位精度，从而
式(1)中，P 0 为声源声压；P(x)为传播x距离后的声
为该技术所依赖的给定衰减模型提供最佳相关性。
压；α 为幅值衰减系数。类似的，信号的能量也有如
Jeong 等 [11] 利用声发射色散模式的小波变换来精
式(2)所示的衰减规律：
确定位声源，并提出应在信号处理前 (在动态意义
上) 识别声发射信号。Bianchi 等 [12] 提出了一种利 E(x) = E 0 e −α E x , (2)
用小波包变换提取钢轨接触疲劳试验中单个事件 式 (2) 中，E 0 为声源能量；E(x) 为传播 x 距离后的
的方法，解决了噪声干扰声发射信号的问题。为了 声发射能量；α E 为能量衰减系数。声发射波在 t 时
提高长距离管道的泄漏定位能力，Xu 等 [13] 提出了 间内的能量为
一种基于多级框架的泄漏定位新方法。该方法采用 ∫ t 2
E t = P (t)dt. (3)
了区域定位和精确定位两个步骤，在精度和效率之 0
间取得了很好的平衡。 对于传感器采集的数字信号，常用式 (3) 计算其单
与此同时，国内外学者们针对声波衰减特性开 位时间内声发射波能量值(即能量释放速率)：
n
展了大量的工作和研究。1986 年，Watanabe 等 [14] f s ∑ 2
E = s (i), (4)
提出一种检测和定位输气管道泄漏的新声学方法。 n i=1
当天然气管道发生泄漏时，产生声波并传播到管道 式 (4) 中，f s 为采样频率；s 为滤波后的时域信号；
的两端，过程中因为能量转化会产生衰减，然后由 s(i)为其第 i个采样点的幅值；n = t/f s 为采样点个
传感器测量以检测和定位泄漏。由于流体动力学 数。为表述方便，后文用 “能量” 代替 “单位时间内