CN105627107A - 流体管道单一传感器模态声发射时频定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流体管道单一传感器模态声发射时频定位方法，包括1)采用单一声发射传感器在泄漏管道任意可接触端点拾取管道泄漏声发射信号；2)对泄漏声发射信号进行时频分析获得时频谱；3)提取泄漏信号的三个时频谱峰值对应的时间信息和频率信息；4)利用三个峰值时间求取任意两种模态信号的时间差，利用三种峰值频率代入对应的三种模态的频散曲线获得三种模态信号的声速；5)根据所求三种时间差和声速得到三种泄漏点位置，并对其求平均。本发明仅需要一只声发射传感器即可确定泄漏点位置，操作简便，便于工程应用；同时本发明提出了一种模态声发射时频定位方法，可以在多模态、频散特性导致泄漏无法定位情况下对管道泄漏进行准确定位。

Description

流体管道单一传感器模态声发射时频定位方法

技术领域

本发明属于管道泄漏检测领域，具体涉及一种流体管道单一传感器模态声发射时频定位方法。

背景技术

管道作为一种高效便捷的流体输送方式已在天然气、石油等流体输运中广泛采用。由于自然或人为原因：管道老化、腐蚀，地质沉降，不规范施工等，管道泄漏时有发生。气体管道泄漏引起资源浪费、环境污染，甚至爆炸、中毒等恶性事故，给人们的生命财产造成严重的威胁。因此，流体管道泄漏检测定位技术对于减小管道泄漏造成的危害是十分必要的。

声发射技术作为一种实时在役的无损检测方法在流体管道泄漏检测中日益受到人们的关注。通常，声发射管道泄漏检测需要在管壁的至少两个接触点安装两只声发射传感器获取泄漏引起的连续声发射信号来实现对整个管道的泄漏检测。中国专利(CN103062628A)公开了一种基于声发射技术的埋地管道泄漏检测定位方法，克服现有泄漏检测技术的不足，结合小波变换消噪和相关分析，实现了对埋地管道实时在役无损检测。该方法应用于长度为6米的试验管道，利用两只声发射传感器在泄漏点两端管壁上同时获取两路声发射信号，利用互相关对两路声发射信号进行时延估计来确定泄漏位置，定位误差为15.2％。采用小波变换消噪可以在检测管道长度较小时降低互相关定位误差，但定位误差仍在5％以上。这主要是因为互相关定位方法是建立在泄漏声发射信号沿管道以恒定不变的声速传输的前提下，但实际上管道泄漏声发射信号具有宽频带、频散、多模态等特性，不同的模态具有不同程度的频散和不同的传输速度，即泄漏声发射在管道中的传播速度与频率和模态类型密切相关，恒定不变的声度难以获得。如果直接对采集的声发射信号进行相关分析并定位泄漏，信号的相关性弱，时延估计误差大；另一方面声速只能取频率范围内某一模态导波速度的平均值，这两点会造成较大泄漏定位误差。因此基于互相关的声发射管道泄漏检测方法定位误差大，不适合用于频散严重而恒定声速难以确定的情况。于是，中国专利(CN104747912A)公开了一种流体输送管道泄漏声发射时频定位方法，首先对泄漏两端采集的声发射信号进行互相关分析，然后对互相关函数进行时频分析来确定时间延迟和对应的频率信息，从而实现时频定位。该方法克服了因泄漏声发射信号频散而导致的定位误差大的问题，其实质采用的是一种单一主导模态信号的互相关函数的时频定位方法，但实际泄漏声发射信号是多模态信号(弯曲模态、扭转模态、纵向模态和流体主导模态)，从而会导致泄漏两端采集的泄漏信号在进行互相关分析时相关程度弱，使得互时频定位误差较大。另外，该方法仍然需要两只传感器才能实现泄漏点的定位，这样会在工程应用中造成一定程度的不便。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种流体管道单一传感器模态声发射时频定位方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的，一种流体管道单一传感器模态声发射时频定位方法，包括以下步骤：

步骤1)采用单一声发射传感器在泄漏管道任意可接触端点拾取管道泄漏声发射信号；

步骤2)对泄漏声发射信号进行时频分析获得时频谱；

步骤3)提取泄漏信号的三个时频谱峰值对应的时间信息和频率信息，所述的三个时频谱峰值分别对应弯曲模态、纵向模态和流体主导模态；

步骤4)利用三个峰值时间求取任意两种模态信号的时间差，利用三种峰值频率代入对应的三种模态的频散曲线获得三种模态信号的声速；

步骤5)根据所求三种时间差和声速得到三种泄漏点位置，并对其求平均来获得更加准确的泄漏位置。

进一步，所述任意两种模态信号时间差为任意两个时频谱峰值的时间差。

进一步，所述模态信号的声速通过将对应模态时频谱的峰值对应的频率信息代入对应模态的频散曲线获得。

进一步，所述定位方法具体为：

所述声发射传感器在管壁拾取的泄漏声发射信号表示为：

X(t)＝F(t)+L(t)+f(t)(1)

其中，X(t)表示泄漏声发射信号，F(t)表示弯曲模态信号，L(t)表示纵向模态信号，f(t)为流体主导模态信号；

对泄漏声发射信号X(t)进行时频分析为：

$\begin{array}{c}{C}_x(t,\mathrm{\ω})=TF\[X\left(t\right)\]=TF\[F\left(t\right)+L\left(t\right)\]=TF\[F\left(t\right)\]+TF\[L\left(t\right)\]+TF\[f\left(t\right)\]\\ =C_F(t_F,{\mathrm{\ω}}_F)+C_L(t_L,{\mathrm{\ω}}_L)+C_f(t_f,{\mathrm{\ω}}_f)\end{array}---\left(2\right)$

其中，TF为时频分析算子，C_x、C_F、C_L和C_f分别表示泄漏信号、弯曲模态、纵向模态和流体主导模态的时频谱，t、t_F、t_L、t_f分别表示泄漏信号、弯曲模态、纵向模态和流体主导模态时频谱的时间信息，ω、ω_F、ω_L和ω_f分别表示泄漏信号、弯曲模态、纵向模态和流体主导模态时频谱的频率信息；

则三个峰值的对应的时间和频率可表示为：

[ω_F0,t_F0]＝argmaxC_F(t_F,ω_F)(3)

[ω_L0,t_L0]＝argmaxC_L(t_L,ω_L)(4)

[ω_f0,t_f0]＝argmaxC_f(t_f,ω_f)(5)

其中，ω_F0、ω_L0和ω_f0分别是弯曲模态、纵向模态和流体主导模态信号的时频谱的峰值对应的频率信息，t_F0、t_L0和t_f0分别是弯曲模态、纵向模态和流体主导模态信号的时频谱的峰值对应的时间信息。

进一步，将ω_F0、ω_L0、ω_f0分别代入弯曲模态、纵向模态和流体主导模态的频散曲线即可确定对应的声速为C_F、C_L和C_f；

任意两种模态信号因速度差异导致的时间差为：

τ_FL＝t_F0-t_L0(6)

τ_fL＝t_f0-t_L0(7)

τ_fF＝t_f0-t_F0(8)

其中，τ_FL、τ_fL和τ_fF分别为弯曲模态和纵向模态、流体主导模态和纵向模态、流体主导模态和弯曲模态之前的到达时间差。

进一步，泄漏点到传感器的距离为

$L_{01}=\frac{c_L{c}_F}{c_L-c_F}{\mathrm{\τ}}_{FL}---\left(12\right)$

$L_{02}=\frac{c_L{c}_f}{c_L-c_f}{\mathrm{\τ}}_{fL}---\left(13\right)$

$L_{03}=\frac{c_F{c}_f}{c_F-c_f}{\mathrm{\τ}}_{fF}---\left(14\right)$

其中，L₀₁，L₀₂，L₀₃分别为采用弯曲模态和纵向模态、流体主导模态和纵向模态、流体纵向模态和弯曲模态之间的速度差异得到的泄漏点的位置；则

$\stackrel{\‾}{L}=\frac{L_{01}+L_{02}+L_{03}}{3}---\left(15\right)$

其中，表示采用三种不同的模态组合计算的泄漏点到传感器之间距离的平均值。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：与传统双传感器泄漏定位方法相比，本发明仅需要一只声发射传感器即可确定泄漏点的位置，操作简便，便于工程应用；同时本发明提出了一种模态声发射时频定位方法，可以在多模态、频散特性导致泄漏无法定位的情况下对管道泄漏进行准确定位。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为管道三维坐标图；

图2为单一传感器泄漏定位原理图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

管道泄漏产生的声发射信号沿着管道传输时被分解为多种不同类型的模态信号。随着传输距离的增加模态声发射信号随之衰减，且频率越高信号衰减越大，因此采用低频信号(<100kHz)进行管道泄漏声发射检测。流体管道可以看作由管内流体、管壁及管道外部介质三层不同属性的介质构成的圆柱形壳体复合结构，低频泄漏声发射信号在这种圆柱形壳体复合结构中传输时只激励四种基本的模态类型：弯曲模态、扭转模态、纵向模态和流体主导模态，其中弯曲模态、扭转模态和纵向模态主要在管壁中传输，而流体主导模态则为流体中传输的纵波。流体管道的三维坐标如图1所示，弯曲模态只产生径向位移和周向位移，扭转模态只产生周向位移，纵向模态主要产生轴向位移和径向位移，流体主导模态为流体纵波主要引起管壁的径向位移和轴向位移。声发射传感器垂直管壁安装在管道上，其采用的压电敏感元件只对管壁的轴向位移和径向位移敏感，而对周向位移不敏感，所述声发射传感器在管壁拾取的泄漏信号主要为弯曲模态信号、纵向模态信号和流体主导模态，可以表示为：

X(t)＝F(t)+L(t)+f(t)(1)

其中，X(t)表示声发射传感器拾取的泄漏信号，F(t)表示弯曲模态信号，L(t)表示纵向模态信号，f(t)为流体主导模态信号。

对单一传感器拾取的泄漏声发射信号X(t)进行时频分析为：

$\begin{array}{c}{C}_x(t,\mathrm{\&omega;})=TF\&lsqb;X\left(t\right)\&rsqb;=TF\&lsqb;F\left(t\right)+L\left(t\right)\&rsqb;=TF\&lsqb;F\left(t\right)\&rsqb;+TF\&lsqb;L\left(t\right)\&rsqb;+TF\&lsqb;f\left(t\right)\&rsqb;\\ =C_F(t_F,{\mathrm{\&omega;}}_F)+C_L(t_L,{\mathrm{\&omega;}}_L)+C_f(t_f,{\mathrm{\&omega;}}_f)\end{array}---\left(2\right)$

其中TF为时频分析算子，其代表了现有时频分析的所有方法，C_x、C_F、C_L和C_f分别表示泄漏信号、弯曲模态、纵向模态和流体主导模态的时频谱，t、t_F、t_L、t_f分别表示泄漏信号、弯曲模态、纵向模态和流体主导模态时频谱的时间信息，ω、ω_F、ω_L和ω_f分别表示泄漏信号、弯曲模态、纵向模态和流体主导模态时频谱的频率信息。从式(2)可以看出对泄漏信号的时频谱实质是三种不同模态信号的时频谱之和。

三种不同模态信号的传输速度存在差异，所以三种模态混合信号的时频谱的峰值对应的时间信息将存在差异，从而导致泄漏数据的时频谱存在三个明显的峰值。其中三个峰值的对应的时间和频率可表示为：

[ω_F0,t_F0]＝argmaxC_F(t_F,ω_F)(3)

[ω_L0,t_L0]＝argmaxC_L(t_L,ω_L)(4)

[ω_f0,t_f0]＝argmaxC_f(t_f,ω_f)(5)

其中，ω_F0、ω_L0和ω_f0分别是弯曲模态、纵向模态和流体主导模态信号的时频谱的峰值对应的频率信息，t_F0、t_L0和t_f0分别是弯曲模态、纵向模态和流体主导模态信号的时频谱的峰值对应的时间信息。将式(3-5)中的ω_F0、ω_L0、ω_f0分别代入弯曲模态、纵向模态和流体主导模态的频散曲线即可确定对应的声速为C_F、C_L和C_f，任意两种模态信号因速度差异导致的时间差为

τ_FL＝t_F0-t_L0(6)

τ_fL＝t_f0-t_L0(7)

τ_fF＝t_f0-t_F0(8)

其中，τ_FL、τ_fL和τ_fF分别为弯曲模态和纵向模态、流体主导模态和纵向模态、流体主导模态和弯曲模态之前的到达时间差。

如图2所示，假设已知两种不同模态的泄漏信号从泄漏点到传感器传输的时间和声速分别为(t₁,c₁)，(t₂,c₂)，另外假设泄漏位置到传感器位置的距离为L，则：

c₁t₁＝c₂t₂＝L(9)

t₁-t₂＝τ(10)

由式(9)(10)可知

$L=\frac{c_1{c}_2}{c_2-c_1}\mathrm{\&tau;}---\left(11\right)$

于是将式(3-8)中的声速和时间差代入式(11)可得泄漏点到传感器的距离为

$L_{01}=\frac{c_L{c}_F}{c_L-c_F}{\mathrm{\&tau;}}_{FL}---\left(12\right)$

$L_{02}=\frac{c_L{c}_f}{c_L-c_f}{\mathrm{\&tau;}}_{fL}---\left(13\right)$

$L_{03}=\frac{c_F{c}_f}{c_F-c_f}{\mathrm{\&tau;}}_{fF}---\left(14\right)$

其中，L₀₁，L₀₂，L₀₃分别为采用弯曲模态和纵向模态、流体主导模态和纵向模态、流体纵向模态和弯曲模态之间的速度差异得到的泄漏点的位置。

通过式(12-14)均可计算出管道泄漏点的位置，最后将三种结果进行求平均来进一步减少泄漏定位的误差，于是

$\stackrel{\&OverBar;}{L}=\frac{L_{01}+L_{02}+L_{03}}{3}---\left(15\right)$

其中，表示采用三种不同的模态组合计算的泄漏点到传感器之间距离的平均值。

本发明所述的模态声发射时频定位方法，尤其用于天然气，石油，供水及其他流体输送管道在因泄漏声发射信号频散、多模态特性导致难以定位的情况下采用单一传感器对泄漏点进行准确定位。同时该定位方法的思想也可应用于其他结构(如板壳结构)的声发射源定位中。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种流体管道单一传感器模态声发射时频定位方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1)采用单一声发射传感器在泄漏管道任意可接触端点拾取管道泄漏声发射信号；

步骤2)对泄漏声发射信号进行时频分析获得时频谱；

步骤3)提取泄漏信号的三个时频谱峰值对应的时间信息和频率信息，所述的三个时频谱峰值分别对应弯曲模态、纵向模态和流体主导模态；

步骤4)利用三个峰值时间求取任意两种模态信号的时间差，利用三种峰值频率代入对应的三种模态的频散曲线获得三种模态信号的声速；

步骤5)根据所求三种时间差和声速得到三种泄漏点位置，并对其求平均来获得更加准确的泄漏位置。

2.根据权利要求1所述的流体管道单一传感器模态声发射时频定位方法，其特征在于：所述任意两种模态信号时间差为任意两个时频谱峰值的时间差。

3.根据权利要求1所述的流体管道单一传感器模态声发射时频定位方法，其特征在于：所述模态信号的声速通过将对应模态时频谱的峰值对应的频率信息代入对应模态的频散曲线获得。

4.根据权利要求1所述的流体管道单一传感器模态声发射定位方法，其特征在于：所述定位方法具体为：

所述声发射传感器在管壁拾取的泄漏声发射信号表示为：

X(t)＝F(t)+L(t)+f(t)(1)

其中，X(t)表示泄漏声发射信号，F(t)表示弯曲模态信号，L(t)表示纵向模态信号，f(t)为流体主导模态信号；

对泄漏声发射信号X(t)进行时频分析为：

C_x(t,ω)＝TF[X(t)]＝TF[F(t)+L(t)]＝TF[F(t)]+TF[L(t)]+TF[f(t)]

(2)

＝C_F(t_F,ω_F)+C_L(t_L,ω_L)+C_f(t_f,ω_f)

其中，TF为时频分析算子，C_x、C_F、C_L和C_f分别表示泄漏信号、弯曲模态、纵向模态和流体主导模态的时频谱，t、t_F、t_L、t_f分别表示泄漏信号、弯曲模态、纵向模态和流体主导模态时频谱的时间信息，ω、ω_F、ω_L和ω_f分别表示泄漏信号、弯曲模态、纵向模态和流体主导模态时频谱的频率信息；

则三个峰值的对应的时间和频率可表示为：

[ω_F0,t_F0]＝argmaxC_F(t_F,ω_F)(3)

[ω_L0,t_L0]＝argmaxC_L(t_L,ω_L)(4)

[ω_f0,t_f0]＝argmaxC_f(t_f,ω_f)(5)

其中，ω_F0、ω_L0和ω_f0分别是弯曲模态、纵向模态和流体主导模态信号的时频谱的峰值对应的频率信息，t_F0、t_L0和t_f0分别是弯曲模态、纵向模态和流体主导模态信号的时频谱的峰值对应的时间信息。

5.根据权利要求4所述的流体管道单一传感器模态声发射时频定位方法，其特征在于：将ω_F0、ω_L0、ω_f0分别代入弯曲模态、纵向模态和流体主导模态的频散曲线即可确定对应的声速为C_F、C_L和C_f；

任意两种模态信号因速度差异导致的时间差为：

τ_FL＝t_F0-t_L0(6)

τ_fL＝t_f0-t_L0(7)

τ_fF＝t_f0-t_F0(8)

其中，τ_FL、τ_fL和τ_fF分别为弯曲模态和纵向模态、流体主导模态和纵向模态、流体主导模态和弯曲模态之前的到达时间差。

6.根据权利要求5所述的流体管道单一传感器模态声发射定位方法，其特征在于：泄漏点到传感器的距离为

$L_{01}=\frac{c_L{c}_F}{c_L-c_F}{\mathrm{\&tau;}}_{FL}---\left(12\right)$

$L_{02}=\frac{c_L{c}_f}{c_L-c_f}{\mathrm{\&tau;}}_{fL}---\left(13\right)$

$L_{03}=\frac{c_F{c}_f}{c_F-c_f}{\mathrm{\&tau;}}_{fF}---\left(14\right)$

其中，L₀₁，L₀₂，L₀₃分别为采用弯曲模态和纵向模态、流体主导模态和纵向模态、流体主导模态和弯曲模态之间的速度差异得到的泄漏点的位置；则

$\stackrel{\&OverBar;}{L}=\frac{L_{01}+L_{02}+L_{03}}{3}---\left(15\right)$

其中，表示采用三种不同的模态组合计算的泄漏点到传感器之间距离的平均值。