干货 | 使用相关法测漏中的常见误解及基础声学导论

摘要: 假设一段完全坚硬的管道,声速在该条件下的传播速度大约为1485米/秒。尽管现实中的管道不可能做到完全坚硬,而是“弹性”的(包括钢管)管道,但这足以让我们使用高灵敏度传感器通过接触外管壁的金属附件对水中的压力波进行“测量”。

12-20 19:39 首页 富士地探

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        通过对测漏行业的观察,发现一些自来水的测漏工程师会将相关仪视作解决漏损的唯一工具。而一些没有接触过相关仪的同行们认为只要简单的将设备安置好就可以万事大吉,不需要考虑什么管材、管径、管压以及管道附件间的距离等条件都可以找到漏点,突出了对声学法探测上的误解。有时我们可能觉得一些认知上的小偏差或者用词用语上的小疏漏不会对最终结果造成太大的影响。但事实上,正是这失之毫厘的一点点决定了一次测漏工作的成功或失败。


        在这里我们运用“易拉罐土电话”的例子简单描述下测漏工作中的声学原理。大家都知道,能够让易拉罐两方都能听到声音的唯一方式就是拉紧线绳,如果线绳很松弛就无法传播声音。同样的,对于漏水音来说,在金属管道(拉紧的线绳)中要比非金属管道(松弛的线绳)传播的更容易。假设土电话的线绳可以为任意长度,比如1000米,我们会期待两边听到任何声音吗?答案当然是“不能”,因为声音根本无法传递到另一端。


        相关法定位漏点的最基本原理和要求是需要两个探头必须都能捕捉到漏点噪音。很显然,即便无线电信号可以传输1000-2000米,由于漏点类型和管材的原因,漏水音的理想传播距离最多也可能只是500米,那么结果就是两边探头无法捕捉到该漏水音,也无从进行相关法定位了。下面,我们列举了一些在客户咨询相关仪设备过程中的一些常见问题:


问题1. 前置放大器与相关仪主机之间的最远距离可以到多少?

        这取决于当时的现场条件。如果仅指无线电信号传输,通常可达到1km,但考虑到相关仪所使用的数字频率时,基于视距传输理论(line-of-sight),传输距离会大大缩短。同时,漏水音的传播取决于管道的管径、管材以及管压的状况。


图一 相关仪探测现场(标准传感器)


问题2. 在特定管材下,可测到漏点的最大管长是多少?

        理论上讲,这是一个与相关仪不“相关”的问题,因为可测量距离完全取决于噪声能够在管道传递多远。为了进行一次成功的漏水相关分析,两个探头都必须采集到漏水音。


图二 一次成功相关的关键点在于两只探头要同时探测到噪声信号,如现场无法提供金属暴露点,可结合磁性听音杆应用。


问题3 . 相关仪是否可以保证在小区内信号的最小传播距离到达1 km?

        这很难保证,因为无线电波的传输距离和探头能够定位漏点时的距离没有任何关系。如果相关仪无法拾取到漏水音,相关分析没有任何意义。


图三 相关仪主机正在采集和处理噪声信号


声学法探测和软性介质导论

        在带有非加压水体的管状结构中传播的声音是无法通过相关仪设备来进行探测的,不过幸运的是常规可探测到漏水声频都是带有加压水体的供水管网,加上声波在水中的会以均匀平面波的方式进行传播,这对于相关分析也同样非常理想。相关仪事实上测量的是声音在水中的传播状态,常规方法会利用标准的加速度传感器,通过接触外部管道附件进行测量;或使用水声传感器直接浸在水中进行测量。


图四 水声传感器


        声波是在管网水体传播的压力波。假设一段完全坚硬的管道,声速在该条件下的传播速度大约为1485米/秒。尽管现实中的管道不可能做到完全坚硬,而是“弹性”的(包括钢管)管道,但这足以让我们使用高灵敏度传感器(上述的加速度传感器或水声传感器)通过接触外管壁的金属附件对水中的压力波进行“测量”。压力波不仅仅在管道内进行纵向传播,同时也在管道外围产生“共鸣”。这使得在声速会下降到1200 m/sec左右。但由于金属介质仅仅吸收非常小部分的声能,因此声音依然可以传播的很远。声波在塑料管道中的传播效果是非常不同的。相比于上述“弹性“管材,非金属管道更加柔软。非金属介质在大量吸收声能量的同时也导致声速下降到了300 - 600米/秒之间。因此,在这些管道中声波的强度会在传播的过程中越来越弱。非金属管道的另外一个问题就是缺少高频的噪音。因此对于长距离低频的非金属管道,相关仪需要不断的拾取足够多的噪音数据来确保相关结果的正确性。


        水管中的实际声速取决于管材或管道的“弹性模量”以及管径和管壁厚度的比例值。尽管有计算声速的公式,但大多数测漏人员并不清楚管壁厚度和管道的弹性模量。这也就是为什么所有相关仪在进行相关运算时都会自带一个提前预设好的理论声速值。经验丰富的测漏人员通常会对管道进行一次现场的实际声速测量来让相关分析结果变得更加精确。很不幸的是很少会有人在实际查漏工作中进行该步骤。


        根据行业内的经验,相关仪一般不适用于甚低频条件。因此,在低压、非金属管网中查漏的最实际办法依然还是通过电子听漏仪拾取传播到地表的声音来进行漏点定位。其他声学方法还包括回声方法,但在现实配水管网中这个方法是非常不实际的,因为会有大量的回声产生于管道的弯头、三通、接头等等,这些噪音会严重干扰测漏人员的判断力。


        以下为主动漏损控制(ALC)当中涉及到的,也是测漏人员需要了解的一些声学基础理论知识。


水中声速的一般表达式为:

c = 1410 + 4.21t –0.037t2 +11.4s + 0.018d m/s

t = 温度(摄氏度 C)

s = 盐度 (%)

d = 压强 (m 水压)


        尽管该公式只有在“自由场”条件下(比如海洋)才成立,但仍然可以反映出温度、压强和盐度对声速的影响。盐度在配水管网中肯定是不适用的,因此可视为零值,而压强和温度的影响更加明显,不过大多数国家管网中的温度基本是保持恒定的。由于水体被管壁完整包围,管道中没有所谓的“自由场”,因此声音只会进行单向传播。当然,在传播过程中声波会在管壁内反弹。管道中的声速会受到管材、管壁厚度、管径和其弹性模量的影响。


        在满水管道中的声速可以表达为:


Vp = 管道中的声速

V0 = 自由场水中的声速

EW = 水的弹性模量

Ep = 管材的相对弹性模量

D = 管道内径

d = 管壁厚度

 

        很显然这个公式并不适用与真实环境工作中。测漏工程师通常会使用相关仪自带的预设声速值或者根据自己以往的经验得出的声速值来进行相关运算。不过通过上面的公式我们仍然不难看出,越软(Ep)的管材,管道中的声速(Vp)就越低。随着管径越大(D)和管壁厚度(d)的增加,声速会越来越低(Vp)。


结    论

        到目前为止本文提出了几个涉及声学测漏设备的重要因素,也为读者浅析了为何漏点有时能找到,有时不能。在购买任何测漏设备时客户需要对其背后的技术基础有一个充足的了解,而不应该总单纯的认为设备永远可以找到每一个漏点。近年来的研究工作为测漏行业人员提供了一个更清晰的方式来理解漏水噪音在更“柔软”的非金属配水管道中的传播方式,这也帮助设备制造商和研究机构在提高信号处理上得到了巨大的发展。


图四 日本某小区户外,使用相关仪对管网进行实地探测

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