地下水管漏水點的快速定位

羅志環(huán)，吳思明，潘麗軍，嚴(yán) 楚，彭林總，李曉強

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院，廣東 廣州 510642）

1 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化的進(jìn)程加快，城市的供水網(wǎng)絡(luò)的要求越來越高，管道的網(wǎng)絡(luò)也趨于復(fù)雜化.復(fù)雜多變的外界條件，使得自來水管的破裂時有發(fā)生，給社會生產(chǎn)和人們生活帶來很大的負(fù)面影響，還嚴(yán)重的浪費了水資源.快速定位爆裂點，有助于搶修工作的開展，從而最大程度上減少各方面的負(fù)面影響.根據(jù)檢測的對象的不同，地下管道漏水的探測方法可分為非聲音檢測法和聲音檢測法.聲音檢測法的技術(shù)更為成熟，發(fā)展更快.本文采用聲振法來定位自來水管漏點的位置.

2 原理

2.1 聲振法的基本原理

供水管都有一定的水壓，當(dāng)水管爆裂時會使管中的水撞擊管壁和埋藏的土質(zhì)或沙石等介質(zhì)，并造成一定的噪聲，而且其聲音傳播有一定的特點[1].一般而言，聲波在土壤等介質(zhì)中傳播時，距離振源越近，其強度（能量）越大；距離震源越遠(yuǎn)則強度越小.因此，理論上來說，在垂直漏水點的地表處，我們應(yīng)該能接收到最強的聲音信號，而隨著探測端離漏水點的距離逐漸越大，其接收到的聲音信號應(yīng)逐漸變?nèi)?（見圖1）.

圖1 漏水信號的分布特點

而對于水管內(nèi)水壓的高低，也會對漏點的振動能量有一定的影響，水壓越高，引起的振動越大，水壓低時，振動微弱甚至消失.此外，漏點附近的三通或拐彎處都有一定的影響.

2.2 駐極體傳聲器

駐極體話筒[2]由聲電轉(zhuǎn)換和阻抗變換兩部分組成.聲電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件是駐極體振動膜.它是一片極薄的塑料膜片，在其中一面蒸發(fā)上一層純金薄膜.然后再經(jīng)過高壓電場駐極后，兩面分別駐有異性電荷.膜片的蒸金面向外，與金屬外殼相連通.膜片的另一面與金屬極板之間用薄的絕緣襯圈隔離開.這樣，蒸金膜與金屬極板之間就形成一個電容.當(dāng)駐極體膜片遇到聲波振動時，引起電容兩端的電場發(fā)生變化，從而產(chǎn)生了隨聲波變化而變化的交變電壓.

駐極體傳聲器中的高分子極化膜上生產(chǎn)時就注入了一定的永久電荷(Q)，由于沒有放電回路，這個電荷量是不變的，在聲波的作用下，極化膜隨著聲音震動，因此和背極的距離也跟著變化，也就是鎖極化膜和背極間的電容是隨聲波變化.

2.3 峰值檢測

峰值檢測電路（PKD，Peak Detector）[3,4]的作用是對輸入信號的峰值進(jìn)行提取，產(chǎn)生輸出Vo=Vpeak，為了實現(xiàn)這樣的目標(biāo)，電路輸出值會一直保持，直到一個新的更大的峰值出現(xiàn)或電路復(fù)位.

圖2

3 結(jié)果及分析

為了驗證我們的方案，在測試環(huán)境中，我們定義了一個距離水管50cm并與水管平行的坐標(biāo)軸，坐標(biāo)軸的原點正對著漏水點.探頭（駐極體傳聲器）沿著坐標(biāo)軸移動，尋找聲強最大的位置，并把相應(yīng)的坐標(biāo)讀數(shù)（絕對值）記錄下來.我們一共測量了11組數(shù)據(jù)，見表1.有表中數(shù)據(jù)可以看出，測量出來的漏水點位置基本上繞著坐標(biāo)原點波動，說明了我們的方案是可行的.我們測量的漏水點坐標(biāo)平均值是d=18.38cm，標(biāo)準(zhǔn)差為σ=7.93cm.如果測量次數(shù)更多，我們的統(tǒng)計結(jié)果會更好.

圖3

由此可見，對于本方案是行之有效的.但我們還需要考慮一些不確定因素：

（1）漏點產(chǎn)生的聲音信號在不同的介質(zhì)中傳播或反射過程中，會有許多與泄漏無關(guān)的其他聲音信號對原信號的干擾，這樣常會造成所需信號波形的失真甚至無法接收到原信號.

（2）水管所埋的介質(zhì)環(huán)境對聲音信號的影響也很大，此外水管的材質(zhì)、口徑、水壓及埋藏深度都會有一定的影響.

（3）管道會有三通、拐彎、閥門等因素引發(fā)的聲音振動信號，加上管道中正常過水可能會引發(fā)管道上某些點共振等現(xiàn)象，而這個共振所發(fā)出的聲響可能會比實際漏水點的聲響更強.

表1 漏水點測量

（4）檢驗設(shè)備的靈敏度、頻率特性等因素都有影響.

4 總結(jié)

我們采用傳統(tǒng)聲振法來實現(xiàn)地下自來水管爆裂處的定位.測量數(shù)據(jù)表明，我們的方案具有實用價值，并有如下優(yōu)點：

（1）方法簡便，易于掌握操作方法，檢測人員無需具備豐富的檢漏實際經(jīng)驗也可確定漏水點.

（2）投入成本較低，性價比高.

（3）對環(huán)境的要求不高.一般儀器都是選擇在夜深人靜的時候進(jìn)行，而我們儀器測量條件則不用如此苛刻.

〔1〕楊進(jìn)、文玉梅、李平.自來水鑄鐵管道泄漏聲信號頻率特征研究[J].應(yīng)用聲學(xué),2006，25（1）.

〔2〕Tom Petruzzellis.傳感器電子制作[M].北京:科學(xué)出版社，2007.

〔3〕康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）（5 版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

〔4〕蔣立平.數(shù)字邏輯電路與系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.