CN112624317B - 一种基于音频分析的mbr膜组件检测方法与系统 - Google Patents

一种基于音频分析的mbr膜组件检测方法与系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于音频分析的MBR膜组件检测方法与系统，主要包括第一收录设备、音频绘制模块、特征获取模块和微处理单元，其通过第一收录设备收录气泡和水通过无损的MBR膜组件的正常态音频、气泡和水通过破损的MBR膜组件的受损态音频和运行状态下MBR膜组件的实时音频，并通过音频绘制模块根据音频绘制该音频的频谱和时域图,然后通过特征获取模块获取受损兴趣时域及其特征频谱,最后通过微处理单元对实时音频中的受损兴趣时域的特征频谱的判断进行报警。通过本发明可以根据实际运行过程中的音频分析结果获取MBR膜受损的判断，相较于传统MBR膜受损判断方法更加直接且无滞后。

Description

一种基于音频分析的MBR膜组件检测方法与系统
技术领域
本发明涉及膜检测领域，具体涉及一种基于音频分析的MBR膜组件检测方法与系统。
背景技术
MBR膜-生物反应器(Membrane Bio-Reactor,MBR)为膜分离技术与生物处理技术有机结合之新型态废水处理系统。以膜组件取代传统生物处理技术末端二沉池，在生物反应器中保持高活性污泥浓度，提高生物处理有机负荷，从而减少污水处理设施占地面积，并通过保持低污泥负荷减少剩余污泥量。MBR工艺系统通常使用PLC控制，操作维护容易，便于管理高生物污泥操作浓度。MLSS(混合液悬浮固体浓度)通常达到6000～10000mg/l，可减少生物好氧污泥池的体积。膜分离大大提高了污水的大分子难降解的物质处理效率。标准移动式模组化设计，快速简单的安装，易于分期扩充，适用于对于旧有污水处理厂进行改造，仅需增设MBR膜组设备。
废水处理MBR工艺中膜组件(MBR膜片)主要由中空纤维膜、进气管、内曝气管和出水管组成。各部件之间通常由胶水粘接，密封较复杂，运行后期压力损失大，膜组件容易破损泄漏。目前，对膜组件的破损泄漏，只有从压差、出水水质间接推测。然而，要测试膜组件泄露，就需要停止废水处理MBR工艺，单独对膜组件进行离线测试。而对正常运行中膜组件的破损泄漏，只有从压差、出水水质间接推测。如果从压差推测泄漏，可能会与膜的污染堵塞或清洗相混淆，从而不能确定是否发生泄漏。如果从出水水质推测泄漏，则有明显的滞后，且已经造成了污染。目前还没有合适的监测运行中膜组件泄漏的方法。
发明内容
为了解决上述问题，使得MBR膜的泄漏检测能够及时有效，本发明提出了一种基于音频分析的MBR膜组件检测方法，包括步骤：
S1：收录气泡和水通过无损的MBR膜组件的正常态音频；
S2：获取正常态音频的频谱和时域图；
S3：收录气泡和水通过破损的MBR膜组件的受损态音频；
S4：获取受损态音频的频谱和时域图；
S5：根据正常态音频和受损态音频的频谱和时域图获取受损兴趣时域及其特征频谱；
S6：收录运行状态下MBR膜组件的实时音频，并判断受损兴趣时域是否出现特征频谱，若是，则判断MBR泄漏并报警。
进一步地，所述步骤S1之前还包括步骤
S0：收录无外界音频干扰状态下出水口的标定音频，并获取其频谱。
进一步地，所述步骤S6前还包括步骤
S51：收录运行状态下出水口的实时噪声音频，并获取其频谱；
S52：根据实时噪声音频与标定音频的频谱差值对特征频谱进行补偿。
进一步地，所述步骤S1和步骤S3后还包括对音频进行低通滤波的处理。
进一步地，所述对音频进行低通滤波的处理具体为：
截取音频中预设频率的音频，并以预设采样频率低通滤波后做傅里叶变换。
本发明还提出了一种基于音频分析的MBR膜组件检测系统，包括第一收录设备、音频绘制模块、特征获取模块和微处理单元，其中：
所述第一收录设备用于收录气泡和水通过无损的MBR膜组件的正常态音频、气泡和水通过破损的MBR膜组件的受损态音频和运行状态下MBR膜组件的实时音频；
所述音频绘制模块用于根据音频绘制该音频的频谱和时域图；
所述特征获取模块用于根据正常态和受损态的音频的频谱和时域图，获取受损兴趣时域及其特征频谱；
所述微处理单元用于判断实时音频中的受损兴趣时域是否出现特征频谱，若是，则判断MBR泄漏并报警。
进一步地，还包括第二收录设备，所述第二收录设备用于收录无外界音频干扰状态下出水口的标定音频。
进一步地，所述特征获取模块中还包括特征补偿模块，所述特征补偿模块用于根据实时噪声音频与标定音频的频谱差值对特征频谱进行补偿。
进一步地，所述音频绘制模块中还包括低通滤波模块，所述低通滤波模块用于截取音频中预设频率的音频，并以预设采样频率低通滤波后做傅里叶变换。
进一步地，所述微处理单元采用STM32F407芯片。
与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：
(1)本发明所述的一种基于音频分析的MBR膜组件检测方法与系统，其通过在MBR膜处加设音频收录设备，通过对受损和正常状态MBR膜运行时的音频获取与分析，获取受损兴趣音频时域以及受损特征音频图谱，从而可以根据实际运行过程中的音频分析结果获取MBR膜受损的判断，相较于传统MBR膜受损判断方法更加直接且无滞后；
(2)增加了出水口标定音频和实时噪声音频的设置，从而对特征频谱进行补偿，避免外部干扰音频对MBR膜处收集到的实时音频的干扰；
(3)可在MBR膜正常运行状态下对其受损情况进行判断，不会影响污水处理的工作效率。
附图说明
图1为一种基于音频分析的MBR膜组件检测方法的方法步骤图；
图2为一种基于音频分析的MBR膜组件检测系统的系统结构图；
图3为受损态音频的音频时域和频谱图；
图4为正常态音频的音频时域和频谱图；
图5为低通滤波处理示意图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一
为了使得MBR膜的泄漏检测能够更加及时有效，同时避免对污水处理的影响，如图1所示，本发明提出了一种基于音频分析的MBR膜组件检测方法，其主要包括步骤：
S1：收录气泡和水通过无损的MBR膜组件的正常态音频；
S2：获取正常态音频的频谱和时域图(如图4)；
S3：收录气泡和水通过破损的MBR膜组件的受损态音频；
S4：获取受损态音频的频谱和时域图(如图3)；
S5：根据正常态音频和受损态音频的频谱和时域图获取受损兴趣时域及其特征频谱；
S6：收录运行状态下MBR膜组件的实时音频，并判断受损兴趣时域是否出现特征频谱，若是，则判断MBR泄漏并报警。
通过对比分析图3和图4，可以从频谱图上看出，两幅图在50～100Hz频谱的振幅都在800左右，变化并不是很大，处于相对正常状态。但是，在0～50Hz的频谱图上，当有泄漏/破损时，图3的频谱振幅大约在800左右，而图4的频谱振幅大约在300左右，两者相差很大。因此可以断定，当MBR膜组件发生泄漏时，其受损兴趣区域为0～50Hz，该区域的特征频谱的振幅为800。只需对该受损区域的特征频谱进行监测，即可及时的监测到MBR膜泄漏事件，从而及时报警停止机器运行，避免已净化水体受到污染。
当然，实际生产运行中，可能会存在外部干扰音频的存在，因此如果直接对采集到的MBR膜处的音频进行处理，可能会存在误差，因此还需要对外部噪声部分进行补偿。考虑到这一点，本发明在出水口处(也可为其它与MBR所受外部音频干扰一致的地方)也设有音频收录设备，用于收录无外界音频干扰状态下以及正常运行状态下出水口的标定音频，因此，在步骤S1之前还包括步骤：
S0：收录无外界音频干扰状态下出水口的标定音频，并获取其频谱。
步骤S6前还包括步骤：
S51：收录运行状态下出水口的实时噪声音频，并获取其频谱；
S52：根据实时噪声音频与标定音频的频谱差值对特征频谱进行补偿。
通过步骤S0，S51，S52的处理，增加了出水口标定音频和实时噪声音频的设置，可以有效的对特征频谱进行补偿，避免外部干扰音频对MBR膜处收集到的实时音频的干扰。
当然，通过音频收录设备采集到的音频数据也不能直接进行使用，还需要进一步地处理，因为经实验发现，杂音信号集中在高频，而有用信号则集中在低频部分，因此如图5所示，首先要对音频数据进行低通滤波处理，滤除杂波。本实施例中采用巴特沃斯低通滤波器，阶数为10阶，采样频率(预设采样频率)为48000Hz，截止频率(预设频率)为400Hz。对低通滤波处理后的频谱图再做傅里叶变换，从而得到图3和图4。通过预设采样频率和预设频率的设置，从而减小系统整体的数据处理量，加快系统数据处理速度，提高反应速度。
实施例二
为了更好的对本发明的技术特征进行理解，本实施例通过系统结构的形式来对本发明进行解析，如图2所示，一种基于音频分析的MBR膜组件检测系统，包括第一收录设备、音频绘制模块、特征获取模块和微处理单元，其中：
所述第一收录设备用于收录气泡和水通过无损的MBR膜组件的正常态音频、气泡和水通过破损的MBR膜组件的受损态音频和运行状态下MBR膜组件的实时音频；
所述音频绘制模块用于根据音频绘制该音频的频谱和时域图；
所述特征获取模块用于根据正常态和受损态的音频的频谱和时域图，获取受损兴趣时域及其特征频谱；
所述微处理单元用于判断实时音频中的受损兴趣时域是否出现特征频谱，若是，则判断MBR泄漏并报警。
还包括第二收录设备，所述第二收录设备用于收录无外界音频干扰状态下出水口的标定音频。
所述特征获取模块中还包括特征补偿模块，所述特征补偿模块用于根据实时噪声音频与标定音频的频谱差值对特征频谱进行补偿。
所述音频绘制模块中还包括低通滤波模块，所述低通滤波模块用于截取音频中预设频率的音频，并以预设采样频率低通滤波后做傅里叶变换。
而所述微处理单元，在本实施例中选取STM32F407作为主处理芯片。
综上所述，本发明所述的一种基于音频分析的MBR膜组件检测方法与系统，其通过在MBR膜处加设音频收录设备，通过对受损和正常状态MBR膜运行时的音频获取与分析，获取受损兴趣音频时域以及受损特征音频图谱，从而可以根据实际运行过程中的音频分析结果获取MBR膜受损的判断，相较于传统MBR膜受损判断方法更加直接且无滞后。
增加了出水口标定音频和实时噪声音频的设置，从而对特征频谱进行补偿，避免外部干扰音频对MBR膜处收集到的实时音频的干扰。可在MBR膜正常运行状态下对其受损情况进行判断，不会影响污水处理的工作效率。
本文中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种基于音频分析的MBR膜组件检测方法，其特征在于，包括步骤：
S1：收录气泡和水通过无损的MBR膜组件的正常态音频；
S2：获取正常态音频的频谱和时域图；
S3：收录气泡和水通过破损的MBR膜组件的受损态音频；
S4：获取受损态音频的频谱和时域图；
S5：根据正常态音频和受损态音频的频谱和时域图获取受损兴趣时域及其特征频谱；
S6：收录运行状态下MBR膜组件的实时音频，并判断受损兴趣时域是否出现特征频谱，若是，则判断MBR泄漏并报警。
2.如权利要求1所述的一种基于音频分析的MBR膜组件检测方法，其特征在于，所述步骤S1之前还包括步骤
S0：收录无外界音频干扰状态下出水口的标定音频，并获取其频谱。
3.如权利要求2所述的一种基于音频分析的MBR膜组件检测方法，其特征在于，所述步骤S6前还包括步骤
S51：收录运行状态下出水口的实时噪声音频，并获取其频谱；
S52：根据实时噪声音频与标定音频的频谱差值对特征频谱进行补偿。
4.如权利要求1所述的一种基于音频分析的MBR膜组件检测方法，其特征在于，所述步骤S1和步骤S3后还包括对音频进行低通滤波的处理。
5.如权利要求4所述的一种基于音频分析的MBR膜组件检测方法，其特征在于，所述对音频进行低通滤波的处理具体为：
截取音频中预设频率的音频，并以预设采样频率低通滤波后做傅里叶变换。
6.一种基于音频分析的MBR膜组件检测系统，其特征在于，包括第一收录设备、音频绘制模块、特征获取模块和微处理单元，其中：
所述第一收录设备用于收录气泡和水通过无损的MBR膜组件的正常态音频、气泡和水通过破损的MBR膜组件的受损态音频和运行状态下MBR膜组件的实时音频；
所述音频绘制模块用于根据音频绘制该音频的频谱和时域图；
所述特征获取模块用于根据正常态和受损态的音频的频谱和时域图，获取受损兴趣时域及其特征频谱；
所述微处理单元用于判断实时音频中的受损兴趣时域是否出现特征频谱，若是，则判断MBR泄漏并报警。
7.如权利要求6所述的一种基于音频分析的MBR膜组件检测系统，其特征在于，还包括第二收录设备，所述第二收录设备用于收录无外界音频干扰状态下出水口的标定音频。
8.如权利要求7所述的一种基于音频分析的MBR膜组件检测系统，其特征在于，所述特征获取模块中还包括特征补偿模块，所述特征补偿模块用于根据实时噪声音频与标定音频的频谱差值对特征频谱进行补偿。
9.如权利要求6所述的一种基于音频分析的MBR膜组件检测系统，其特征在于，所述音频绘制模块中还包括低通滤波模块，所述低通滤波模块用于截取音频中预设频率的音频，并以预设采样频率低通滤波后做傅里叶变换。
10.如权利要求6所述的一种基于音频分析的MBR膜组件检测系统，其特征在于，所述微处理单元采用STM32F407芯片。
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