RU2521717C1 - Method of passive acoustic monitoring of demersal gas-liquid flows - Google Patents

Method of passive acoustic monitoring of demersal gas-liquid flows Download PDF

Info

Publication number
RU2521717C1
RU2521717C1 RU2013103963/28A RU2013103963A RU2521717C1 RU 2521717 C1 RU2521717 C1 RU 2521717C1 RU 2013103963/28 A RU2013103963/28 A RU 2013103963/28A RU 2013103963 A RU2013103963 A RU 2013103963A RU 2521717 C1 RU2521717 C1 RU 2521717C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
gas
bubbles
acoustic
signals
antennas
Prior art date
Application number
RU2013103963/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юрий Александрович Половинка
Алексей Олегович Максимов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН)
Priority to RU2013103963/28A priority Critical patent/RU2521717C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2521717C1 publication Critical patent/RU2521717C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Examining Or Testing Airtightness (AREA)

Abstract

FIELD: ecology.SUBSTANCE: method is based on registration of acoustic emission signals from the sources of gas bubbles near the bottom with use of vertical receiving antennas with the fan-shaped directional pattern in the vertical plane, which are preliminary calibrated with use of noise source with the uniform spectrum in the range of operating frequencies, and for determining the distribution function of the bubbles on the sizes D(R) and total gas flow the acoustic emission spectra normalised based on the acoustic calibration are used. Areas of exit of gas from the sources of acoustic noise are determined from the maxima of the correlation function between the signals received from different directions of the vertical directive pattern of receiving antennas and a time shift between them, according to the formula d=S×?, where dis the distances from centres of the first and second antennas to the source, Sis the speed of sound in water, ?is the time shifts for the case of the maxima of correlation functions of each antenna.EFFECT: method takes into account the interaction of pulsing and emitting acoustic signals bubbles with the bottom or the working parts of the technical systems, which leads to the change in the own oscillating frequency of bubbles forming in the emission spectrum of the gas exit area and the structure of the pressure field in the far zone which in this case has a dipole character.2 dwg

Description

Изобретение относится к экологии, защите и мониторингу окружающей среды и может быть использовано для обнаружения утечек газа из газопроводов и технических систем добычи углеводородов, для локализации и исследований природных источников газов под водой, а также для количественной оценки объемов выходящих в области дна газов.The invention relates to ecology, protection and environmental monitoring and can be used to detect gas leaks from gas pipelines and technical hydrocarbon production systems, for localization and research of natural gas sources under water, as well as for a quantitative assessment of the volumes of gases released into the bottom area.

В настоящее время возросла потребность в методах обнаружения пузырьков газа, поступающих из областей морского дна в толщу воды. Важность обнаружения утечек из газовых емкостей, хранилищ и подводных газопроводов состоит в том, что, оставаясь незамеченными и неликвидированными, такие утечки могут приводить к огромным финансовым потерям и экологическим катастрофам. Это становится актуальным в связи с тем, что инфраструктура добычи и транспортировки газа быстро стареет в морских условиях. Поэтому достоверное и своевременное обнаружение неисправностей в любой части трубопроводной инфраструктуры является критическим моментом для гарантий надежности использования природного газа. Утечки газа могут поставить под угрозу морские экосистемы и циклы углеродного и метанового газообмена в океане. Также определение наличия пузырьков и их количества в дне и толще океана необходимо для оценки запасов газа в качестве топлива для человечества и оценки потока метана с морского дна в атмосферу (Judd A.G. The global importance and context of methane escape from the seabed. Geo-Mar. Lett. 2003, 23, 147-154, doi:10.1007/s00367-003-0136-z). Тепловой парниковый эффект за счет каждой молекулы газа метана в 20 раз больше, чем за счет молекулы углекислого газа, и любая оценка запасов газов в океане должна учитываться помноженная на коэффициент своего потенциального воздействия на изменение климата, связанного с нагреванием атмосферы. Предложенная в последние годы OOH крупномасштабная программа сокращения выбросов парниковых газов в атмосферу дает импульс к разработке методов длительного мониторинга потоков газа со дна океанов.Currently, there is an increased need for methods for detecting gas bubbles coming from areas of the seabed into the water column. The importance of detecting leaks from gas tanks, storages and underwater gas pipelines is that, while undetected and illiquid, such leaks can lead to huge financial losses and environmental disasters. This becomes relevant due to the fact that the gas production and transportation infrastructure is rapidly aging in marine conditions. Therefore, reliable and timely detection of faults in any part of the pipeline infrastructure is a critical point to guarantee the reliability of the use of natural gas. Gas leaks can jeopardize marine ecosystems and the carbon and methane gas exchange cycles in the ocean. Also, the determination of the presence of bubbles and their quantity in the bottom and in the ocean is necessary for estimating gas reserves as a fuel for humanity and estimating the methane flow from the seabed to the atmosphere (Judd AG The global importance and context of methane escape from the seabed. Geo-Mar. Lett. 2003, 23, 147-154, doi: 10.1007 / s00367-003-0136-z). The thermal greenhouse effect due to each methane gas molecule is 20 times greater than due to the carbon dioxide molecule, and any estimate of the gas reserves in the ocean should be taken into account multiplied by the coefficient of its potential impact on climate change associated with heating of the atmosphere. The OOH proposed in recent years, a large-scale program to reduce greenhouse gas emissions into the atmosphere gives impetus to the development of methods for long-term monitoring of gas flows from the bottom of the oceans.

В промышленных секторах добычи и транспортировки газа и газожидкостных сред ведется разработка систем, способных обнаруживать утечки газа на всех стадиях от добычи до использования газа конечными потребителями. Разрабатываемые способы мониторинга газовых потоков в воде могут применяться как для исследований естественных метановых сипов, так и для контроля коммерческих газопроводов, проложенных в толще дна.In the industrial sectors of gas and gas-liquid media production and transportation, systems are being developed that can detect gas leaks at all stages from production to gas use by end users. The developed methods for monitoring gas flows in water can be used both for studies of natural methane vultures and for monitoring commercial gas pipelines laid in the bottom.

Акустические методы обнаружения и определения утечек газа из технических систем и выходов природных газов в области дна могут быть активными и пассивными.Acoustic methods for detecting and determining gas leaks from technical systems and natural gas outlets in the bottom can be active and passive.

В активных методах выполняется излучение акустических сигналов в исследуемую водную среду, происходит распространение акустических сигналов в водной среде с процессами отражения и преломления и затем осуществляется прием и регистрация отраженных и (или) преломленных в среде акустических сигналов. Формулируется модель распространения акустических сигналов в среде, и в рамках сформулированной модели зарегистрированные акустические сигналы анализируются и обрабатываются. По результатам обработки рассчитываются параметры газожидкостных потоков и определяются координаты источника пузырьков.In active methods, acoustic signals are emitted into the studied aqueous medium, acoustic signals propagate in the aqueous medium with reflection and refraction processes, and then the reflected and (or) refracted acoustic signals are received and recorded. A model of the propagation of acoustic signals in the medium is formulated, and within the framework of the formulated model, recorded acoustic signals are analyzed and processed. Based on the processing results, the parameters of gas-liquid flows are calculated and the coordinates of the bubble source are determined.

Пассивные акустические методы включают в себя регистрацию эмиссионного излучения пузырьков, выходящих из мест разрушения технических систем или от источников природных сипов на дне моря. Далее, формулируется модель акустической эмиссии для описания выходов газа из мест разрушения технических систем или от источников природных сипов. В рамках сформулированной модели производится анализ и обработка зарегистрированных акустических сигналов, а по результатам обработки осуществляют локализацию и расчет параметров газожидкостных потоков.Passive acoustic methods include the registration of emission radiation of bubbles emerging from the places of destruction of technical systems or from sources of natural vultures at the bottom of the sea. Next, an acoustic emission model is formulated to describe gas outflows from areas of destruction of technical systems or from sources of natural vultures. Within the framework of the formulated model, analysis and processing of recorded acoustic signals is performed, and according to the processing results, the parameters of gas-liquid flows are localized and calculated.

В работе [Wendelboe G., Barchard S.M., Maillard Е., Bjorno L. "High-resolution multibeam sonar for subsea leakage detection". Proceedings of the 11th European Conference on Underwater Acoustics (ECUA 2012: Edinburgh UK, 2nd - 6th July, 2012), p.894-901] предложен совмещенный активно-пассивный акустический метод на основе данных измерений обратного рассеяния и акустической эмиссии с помощью обратимого многолучевого сонара с высоким пространственным разрешением SEABAT 7128. Компактная антенна сонара состоит из 256 гидрофонов и имеет диаграмму направленности 1280 по горизонтали и 280 по вертикали с разрешением 0,5°. Метод и аппаратура позволили в активном режиме на частоте 400 кГц на расстояниях до 200 метров проводить визуализацию небольших утечек газа. В смешанном активно-пассивном акустическом режиме была выполнена идентификация, локализация и определение мест выхода газа в контролируемых условиях на дистанциях до 70 метров. Недостатком предложенного метода является использование одной (высокой) частоты при излучении и приеме акустических сигналов, что ограничивает дальность обнаружения утечек газа за счет высокого затухания звука в среде. Также в методе не предусмотрено определение объема выходящего газа по данным измерений.In [Wendelboe G., Barchard S.M., Maillard E., Bjorno L. "High-resolution multibeam sonar for subsea leakage detection". Proceedings of the 11th European Conference on Underwater Acoustics (ECUA 2012: Edinburgh UK, 2nd - 6th July, 2012), p.894-901] proposed a combined active-passive acoustic method based on measurements of backscattering and acoustic emission using reversible multipath sonar with high spatial resolution SEABAT 7128. The compact sonar antenna consists of 256 hydrophones and has a directivity pattern of 1280 horizontal and 280 vertical with a resolution of 0.5 °. The method and equipment made it possible to visualize small gas leaks in the active mode at a frequency of 400 kHz at distances up to 200 meters. In the mixed active-passive acoustic mode, identification, localization and determination of gas exit points were carried out under controlled conditions at distances up to 70 meters. The disadvantage of the proposed method is the use of one (high) frequency when emitting and receiving acoustic signals, which limits the detection range of gas leaks due to the high attenuation of sound in the medium. Also, the method does not provide for the determination of the volume of outgoing gas according to the measurement data.

В работе [Leigthon T.G. and White P.R. Quantification of undersea gas leaks from carbon capture and storage facilities, from pipelines and from methane seeps, by their acoustic emissions. J. Proc. R. Soc. A id: RSPA20110221. doi:10.1098/rspa.2011.0221] предложен метод непрерывного контроля углеводородных выбросов, герметичности газопроводов и исследования подводных областей со множеством природных сипов. Известный метод базируется на использовании сигналов пассивной акустической эмиссии газовых пузырьков, регистрируемых одиночными гидрофонами, для расчета функции распределения газовых пузырьков по размерам для источников в области дна. Регистрация сигнала эмиссионного акустического излучения образовавшихся при нарушениях герметичности технических систем или в результате выходов природных газов (сипов) пузырьков производится в области дна. Затем рассчитывается спектральная мощность принимаемого сигнала S(ω), выполняется инверсия данных спектрального анализа эмиссионного излучения (в рамках методики решения обратной задачи) и рассчитывается функция распределения пузырьков по размерам D(R0), поIn [Leigthon TG and White PR Quantification of undersea gas leaks from carbon capture and storage facilities, from pipelines and from methane seeps, by their acoustic emissions. J. Proc. R. Soc. A id: RSPA20110221. doi: 10.1098 / rspa.2011.0221] a method is proposed for continuous monitoring of hydrocarbon emissions, tightness of gas pipelines and the study of underwater areas with many natural vultures. The known method is based on the use of passive acoustic emission signals of gas bubbles recorded by single hydrophones to calculate the size distribution function of gas bubbles for sources in the bottom. The registration of the signal of acoustic emission radiation generated during leakage of technical systems or as a result of the release of natural gases (sipes) of bubbles is carried out in the bottom area. Then, the spectral power of the received signal S (ω) is calculated, the inversion of the data of the spectral analysis of emission radiation is performed (within the framework of the method for solving the inverse problem), and the size distribution function of the bubbles D (R 0 ) is calculated, according to

которой определяется объем выделяемого газа путем суммирования объемов всех газовых пузырьков. Предполагается, что эмиссионный сигнал сгенерирован в результате линейной суперпозиции сигналов от одиночных газовых пузырьков, которые совершают свободные монопольные колебания и не взаимодействуют между собой, с дном или техническими конструкциями.which determines the amount of gas released by summing the volumes of all gas bubbles. It is assumed that the emission signal is generated as a result of a linear superposition of signals from single gas bubbles that make free monopole oscillations and do not interact with each other, with the bottom or technical structures.

Система практического применения метода пассивного дистанционного обнаружения и контроля природных выходов и утечек газа из технических систем под водой предполагает наличие одиночного приемника или горизонтальной акустической приемной системы, размещаемых вблизи контролируемых подводных технических объектов или в районе выходов природных сипов. Метод выполняется путем приема сигнала эмиссионного излучения из области выхода пузырьков с помощью гидрофонов, передачи принятых сигналов в блок расчета спектров, откуда они передаются в блок расчета функции распределения пузырьков по размерам и объему газового потока. Отдельные блоки или вся система могут быть размещены на подводном или поверхностном носителе.The system of practical application of the method of passive remote detection and control of natural gas outlets and gas leaks from technical systems under water requires a single receiver or horizontal acoustic receiving system located near controlled underwater technical objects or in the area of natural sip exits. The method is performed by receiving a signal of emission radiation from the exit region of the bubbles using hydrophones, transmitting the received signals to the spectral calculation unit, from where they are transferred to the calculation unit for the distribution function of the bubbles in terms of size and volume of the gas stream. Separate blocks or the entire system can be placed on underwater or surface media.

Однако использование одиночных гидрофонов, локализованных в горизонтальной плоскости вблизи дна и не обладающих характеристиками направленности в пространстве, затрудняет определение точного положения областей источников пузырьков в случаях реальных профилей глубин. Не учитывается дипольный характер излучения пузырьков вблизи дна или технических систем во время утечек. Эмиссионный спектр в области выхода пузырьков является теоретическим и рассчитывается в соответствии с параметрами выбранной модели и дистанцией между гидрофонами и источниками, алгоритм определения которой в работе не приводится. Отмеченные выше недостатки приводят к ошибкам определения формы эмиссионного спектра и его конкретных значений и, как следствие, к снижению достоверности определения функции пузырьков по размерам в процессе решения обратной задачи. Для расчета функции распределения пузырьков по размерам используется модель эмиссионного излучения для случая небольшой объемной плотности пузырьков в момент их выхода из источника, что ограничивает применение метода в ситуациях техногенных утечек газа и для многих природных источников газа на дне, где наблюдаются большие объемные плотности пузырьков. Кроме этого используемая модель эмиссионного излучения пузырьков не учитывает их взаимной корреляции в звуковом поле, что приводит к погрешностям расчета спектральной плотности мощности акустического шума S(ω) в дальнем поле от облака пузырьков и не позволяет корректно провести инверсию полученных эмиссионных спектров.However, the use of single hydrophones localized in a horizontal plane near the bottom and not having directivity characteristics in space makes it difficult to determine the exact position of the areas of bubble sources in cases of real depth profiles. The dipole nature of the emission of bubbles near the bottom or of technical systems during leaks is not taken into account. The emission spectrum in the exit region of the bubbles is theoretical and is calculated in accordance with the parameters of the selected model and the distance between hydrophones and sources, an algorithm for determining which is not given in the work. The drawbacks noted above lead to errors in determining the shape of the emission spectrum and its specific values and, as a result, to a decrease in the reliability of determining the bubble function by size in the process of solving the inverse problem. To calculate the bubble size distribution function, we use the emission radiation model for the case of a small bulk density of bubbles at the moment of their exit from the source, which limits the application of the method in situations of technogenic gas leaks and for many natural gas sources at the bottom where large bulk densities of bubbles are observed. In addition, the used model of bubble emission radiation does not take into account their mutual correlation in the sound field, which leads to errors in calculating the spectral power density of acoustic noise S (ω) in the far field from the cloud of bubbles and does not allow the inversion of the obtained emission spectra to be correctly performed.

Наиболее близким к заявляемому методу является пассивный акустический метод для обнаружения утечек газожидкостных потоков из подводных трубопроводов (з.WO 02/025239 А1, МПК G01M 3/24).Closest to the claimed method is a passive acoustic method for detecting leaks of gas-liquid flows from underwater pipelines (s.WO 02/025239 A1, IPC G01M 3/24).

Метод включает прием акустического сигнала из области, окружающей подводный трубопровод, передачу упомянутого сигнала на устройство регистрации и последующую обработку полученного сигнала. Прием сигнала осуществляют гидрофоном с диаграммой направленности, определяемой внутренним давлением в трубопроводе и которая может быть веерообразной, конической или конической с регулируемой апертурой. Полученный сигнал поступает в блок передачи сигналов, из которого по кабелю передается в систему обработки сигнала, установленную на судне. Кабель исполняет функцию буксирующего элемента для герметичного погружаемого блока, включающего блок приема и передачи. В случае осмотров трубопроводов с использованием буксируемого подводного аппарата кабель не используется, и сигналы передаются на поверхность с помощью штатного кабеля аппарата. Стадия обработки зарегистрированного сигнала включает устранение из сигнала частот ниже 30 кГц и выше 70 кГц для получения рабочей полосы частот, последующий перенос рабочей полосы в область низких частот, получение двух квадратурных сигналов, имеющих относительно нулевой частоты половинные частоты, расположенные в области звуковых (0-20 кГц) частот, что позволяет использовать низкую частоту выборки аналого-цифрового преобразования сигнала и выполнять аудиоконтроль оператором. В пределах звуковой полосы частот каждую секунду выполняется вычисление и графическое отображение спектрограммы и амплитуды сигнала на мониторе. Одновременно на монитор выводится рассчитанный график мощности сигнала как функции частоты и времени. Используя сигналы со звукового устройства и графики на мониторе, оператор производит обнаружение сигналов утечек. Недостатками данного метода являются:The method includes receiving an acoustic signal from the area surrounding the underwater pipeline, transmitting said signal to a recording device, and then processing the received signal. The signal is received by a hydrophone with a radiation pattern determined by the internal pressure in the pipeline and which can be fan-shaped, conical or conical with an adjustable aperture. The received signal enters the signal transmission unit, from which it is transmitted via cable to the signal processing system installed on the vessel. The cable acts as a towing element for a sealed immersion unit, including a receiving and transmitting unit. In the case of inspections of pipelines using a towed underwater vehicle, the cable is not used, and signals are transmitted to the surface using the standard cable of the device. The stage of processing the registered signal includes eliminating frequencies below 30 kHz and above 70 kHz from the signal to obtain the working frequency band, then transferring the working band to the low-frequency region, obtaining two quadrature signals having half frequencies relatively relatively zero located in the audio (0- 20 kHz) frequencies, which allows you to use the low sampling frequency of the analog-to-digital signal conversion and perform audio monitoring by the operator. Within the limits of the audio frequency band, calculation and graphical display of the spectrogram and signal amplitude on the monitor are performed every second. At the same time, a calculated graph of the signal power as a function of frequency and time is displayed on the monitor. Using the signals from the sound device and graphics on the monitor, the operator detects leak signals. The disadvantages of this method are:

- низкая точность локализации источника акустической эмиссии из-за движения приемника и необходимости позиционирования в пространстве подводного измерительного блока,- low accuracy of localization of the source of acoustic emission due to the movement of the receiver and the need for positioning in the space of the underwater measuring unit,

- низкая чувствительность метода, зависящая от уровня окружающих шумов, обусловленных как движением самого приемника акустических сигналов, так и работой механизмов судна сопровождения,- low sensitivity of the method, depending on the level of ambient noise due to both the movement of the receiver of acoustic signals and the operation of the mechanisms of the escort vessel,

- низкая эффективность и принципиальные трудности локализации пульсирующих и «спящих» источников эмиссионных сигналов из-за неопределенности длительности, мест и моментов начала выходов газа на дне.- low efficiency and fundamental difficulties in the localization of pulsating and "sleeping" sources of emission signals due to the uncertainty of the duration, places and moments of the beginning of gas outflows at the bottom.

Кроме того, следует отметить, что известный метод не позволяет осуществлять мониторинг во времени и определять количество выходящего из источника газожидкостного потока.In addition, it should be noted that the known method does not allow monitoring over time and determining the amount of gas-liquid flow exiting the source.

Задача заявляемого изобретения - разработка эффективного метода пассивного обнаружения и мониторинга утечек газа из газопроводов и технических систем добычи углеводородов, локализации природных источников газов под водой, а также количественной оценки газовых потоков, выходящих в области дна.The objective of the invention is the development of an effective method for the passive detection and monitoring of gas leaks from pipelines and technical systems for hydrocarbon production, localization of natural gas sources under water, as well as a quantitative assessment of gas flows emerging in the bottom area.

Технический результат - повышение вероятности идентификации и точности определения координат мест выхода газожидкостных потоков в области дна, а также определение количественных параметров потоков в широком диапазоне концентраций газовых пузырьков, возможность мониторинга исследуемого объекта.The technical result is an increase in the probability of identification and accuracy in determining the coordinates of the exit points of gas-liquid flows in the bottom area, as well as the determination of quantitative parameters of flows in a wide range of gas bubble concentrations, the ability to monitor the object under study.

Поставленная задача решается предлагаемым методом акустического мониторинга придонных газожидкостных потоков путем приема сигналов акустической эмиссии в исследуемой области, их регистрации и обработки, при этом предварительно осуществляют калибровку систем приема сигналов в конкретном районе работ с использованием имитатора шумовых сигналов с равномерным спектром в области рабочих частот и записью калибровочного спектра, в качестве систем приема сигналов используют как минимум две, размещенные стационарно на известном расстоянии друг от друга, вертикальные антенны, имеющие круговые диаграммы направленности в горизонтальной плоскости и веерную диаграмму направленности в вертикальной плоскости, регистрацию сигналов осуществляют со всех направлений веерной диаграммы направленности от каждой из антенн, затем с учетом калибровки выполняют измерение и нормировку эмиссионных спектров исследуемой области, проводят взаимно-корреляционный анализ полученных сигналов во времени, и определяют места выхода газа от источников акустического шума по максимумам функции корреляции между сигналами, полученными с различных направлений вертикальной диаграммы направленности приемных антенн и временным сдвигом между ними по формуле d1,2зв×τ1,2, где d1,2 - расстояния от центров первой и второй антенн до источника, Сзв - скорость звука в воде, τ1,2 - времена сдвигов (лаги) для случая максимумов корреляционных функций каждой антенны, и объем выходящего потока путем суммирования объемов всех газовых пузырьков в функции распределения пузырьков по размерам ψ(n), полученной путем решения системы уравнений S n o r m ( ω k ) n = 1 N b ψ ( n ) | X ( ω k ; R n c ) | 2

Figure 00000001
, где Snormk) - значения нормированного с учетом калибровки спектра эмиссионного сигнала в месте выхода газового потока, | X ( ω k ; R n c ) | 2
Figure 00000002
- квадрат магнитуды преобразования Фурье дипольного излучения одиночного пузырька с учетом точного задания собственных частот и учетом взаимодействия пузырьков с дном в дальнем поле.The problem is solved by the proposed method of acoustic monitoring of bottom gas-liquid flows by receiving acoustic emission signals in the study area, recording and processing them, while calibrating signal reception systems in a specific area of work using a noise signal simulator with a uniform spectrum in the operating frequency range and recording of the calibration spectrum, at least two, placed stationary at a known distance, are used as signal reception systems and from each other, vertical antennas having circular radiation patterns in the horizontal plane and a fan radiation pattern in the vertical plane, the signals are recorded from all directions of the fan radiation pattern from each of the antennas, then, taking into account the calibration, the emission spectra of the investigated area are measured and normalized, conduct a cross-correlation analysis of the received signals in time, and determine the places of gas exit from sources of acoustic noise by function maxima correlations between the signals received from different directions of the vertical radiation pattern of the receiving antennas and the time shift between them according to the formula d 1,2 = C sv × τ 1,2 , where d 1,2 are the distances from the centers of the first and second antennas to the source, C sv is the speed of sound in water, τ 1,2 is the shear time (log) for the case of maxima of the correlation functions of each antenna, and the volume of the output stream by summing the volumes of all gas bubbles in the size distribution function of the bubbles ψ (n) obtained by solving the system equations S n o r m ( ω k ) n = one N b ψ ( n ) | | | X ( ω k ; R n c ) | | | 2
Figure 00000001
, where S normk ) are the values normalized taking into account the calibration of the spectrum of the emission signal at the exit of the gas stream, | | | X ( ω k ; R n c ) | | | 2
Figure 00000002
- the square of the magnitude of the Fourier transform of the dipole radiation of a single bubble, taking into account the exact setting of natural frequencies and taking into account the interaction of the bubbles with the bottom in the far field.

Заявляемый метод за счет регистрации сигналов акустической эмиссии из места выхода пузырьков и из области газового «факела» с помощью двух стационарно установленных приемных антенн с веерной диаграммой направленности в вертикальной плоскости, более точного задания собственных частот излучения газовых пузырьков за счет учета взаимодействия пульсирующих пузырьков между собой и с дном, определения пространственной диаграммы направленности области акустической эмиссии, а также предварительной калибровки приемных систем позволяет повысить вероятность идентификации газожидкостных потоков в области дна, увеличить точность определения координат мест выхода, а также определить количественные параметры газового потока в широком диапазоне объемных концентраций пузырьков в потоках.The inventive method by recording acoustic emission signals from the exit point of the bubbles and from the gas "flame" using two stationary mounted receiving antennas with a fan radiation pattern in the vertical plane, more accurately setting the natural frequencies of the emission of gas bubbles by taking into account the interaction of pulsating bubbles with each other and with the bottom, determining the spatial radiation pattern of the acoustic emission region, as well as preliminary calibration of the receiving systems allows ysit probability of identification of gas-liquid flow in the bottom area, increase the accuracy of determining the coordinates of output locations, and determine the quantitative parameters of gas flow in a wide range of concentrations by volume of bubbles in the flow.

В заявляемом методе мониторинга придонных газожидкостных потоков учитывается взаимодействие пульсирующих и излучающих акустические сигналы пузырьков с дном, что приводит к изменению собственной частоты колебаний пузырьков, формирующих эмиссионный спектр в месте выхода газа, и структуры поля давления в дальней зоне, которая в этом случае имеет дипольной характер.In the inventive method for monitoring bottom gas-liquid flows, the interaction of the pulsating and emitting acoustic signals of the bubbles with the bottom is taken into account, which leads to a change in the natural frequency of the oscillations of the bubbles forming the emission spectrum at the gas outlet and the structure of the pressure field in the far zone, which in this case has a dipole character .

Действительно, радиус пузырьков, обнаруженных в сипах, составляет R0~0.25 см [Leifer I., Patro R.K. The bubble mechanism for methane transport from the shallow sea bed to the surface: A review and sensitive study // Cont. Shelf. Res. 2002. V. 22. P.2409-2428.], а их резонансная частота f0=(0.326/R0)(1+0.1·H)1/2 кГц (H - глубина в метрах) больше 1 кГц. Добротность пузырьков, рождающихся в сипах, Q~10 и время излучения составляет величину τ=Q/f0=0.03×R0(1+0.1·H)-1/2. Скорость пузырьков равна 14÷20 см/с. Таким образом, за время излучения пузырьки всплывают над дном на расстояние d=(4÷6)×R0(1+0.1·H)-1/2, что сопоставимо с их размерами, а длина акустической волны, излучаемой пузырьком, на порядки превосходит как размеры пузырька, так и расстояние до дна. Учет взаимодействия пузырька с дном выполняется с помощью введения мнимых источников - Фиг.1.Indeed, the radius of the bubbles found in the vultures is R 0 ~ 0.25 cm [Leifer I., Patro RK The bubble mechanism for methane transport from the shallow sea bed to the surface: A review and sensitive study // Cont. Shelf. Res. 2002. V. 22. P.2409-2428.], And their resonant frequency f 0 = (0.326 / R 0 ) (1 + 0.1 · H) 1/2 kHz (H - depth in meters) is greater than 1 kHz. The Q factor of the bubbles generated in sipes is Q ~ 10 and the radiation time is τ = Q / f 0 = 0.03 × R 0 (1 + 0.1 · H) -1/2 . The velocity of the bubbles is 14 ÷ 20 cm / s. Thus, during the emission time, the bubbles float above the bottom by a distance of d = (4 ÷ 6) × R 0 (1 + 0.1 · H) -1/2 , which is comparable to their size, and the length of the acoustic wave emitted by the bubble is orders of magnitude exceeds both the size of the bubble and the distance to the bottom. Accounting for the interaction of the bubble with the bottom is performed by introducing imaginary sources - Figure 1.

Учет взаимодействия пузырьков границами приводит к тому, что, во-первых, изменится собственная частота колебаний пузырька, которая будет описываться формулой:Taking into account the interaction of bubbles by the boundaries leads to the fact that, firstly, the eigenfrequency of the bubble oscillations will change, which will be described by the formula:

f 0 c = f 0 ( 1 ρ w β ρ w + β R 0 2 d ) 1 / 2 , ( 1 )

Figure 00000003
f 0 c = f 0 ( one - ρ w - β ρ w + β R 0 2 d ) one / 2 , ( one )
Figure 00000003

где f0 - собственная частота свободного пузырька, ρw - плотность воды, β=ρs(ν/1-ν), ρs - плотность осадков, ν - коэффициент Пуассона осадков. Выражение (1) используется в заявляемом методе для инверсии спектральной плотности эмиссионного излучения пузырьков и расчета объемных характеристик газового потока. Ранее указанное взаимодействие пузырьков не учитывалось и использовалось более простое соотношение f 0 c = f 0

Figure 00000004
. Во-вторых, структура поля давления в дальней зоне будет формироваться двумя источниками (дипольное излучение), совпадающими с расположением исходного и мнимого пузырька, и будет иметь вид:where f 0 is the natural frequency of the free bubble, ρ w is the density of water, β = ρ s (ν / 1-ν), ρ s is the density of precipitation, ν is the Poisson's ratio of precipitation. Expression (1) is used in the inventive method to invert the spectral density of the emission radiation of bubbles and to calculate the volumetric characteristics of the gas stream. The previously mentioned interaction of the bubbles was not taken into account and a simpler ratio was used f 0 c = f 0
Figure 00000004
. Secondly, the structure of the pressure field in the far zone will be formed by two sources (dipole radiation), which coincide with the location of the initial and imaginary bubbles, and will look like:

P ρ w ( R 0 2 R ¨ ) ( 1 ρ w β ρ w + β R 0 2 d ) / r ( 2 )

Figure 00000005
, P ρ w ( R 0 2 R ¨ ) ( one - ρ w - β ρ w + β R 0 2 d ) / r ( 2 )
Figure 00000005
,

вместо поля монопольного источника, совпадающего с центром пузырька, P ρ w ( R 0 2 R ¨ ) / r

Figure 00000006
.instead of the field of a monopoly source coinciding with the center of the bubble, P ρ w ( R 0 2 R ¨ ) / r
Figure 00000006
.

Для реализации способа выполняют прием акустических сигналов в районе работ с помощью как минимум двух антенн. Максимальное количество антенн практически неограниченно и определяется протяженностью контролируемых объектов или исследуемой площадью природного объекта, например для контроля линейных отрезков подводных газопроводов требуется не менее двух, а для контроля областей природных выходов газа или технических объектов, имеющих распределенную конфигурацию на дне, требуется не менее трех антенн. Антенны закрепляются стационарно на дне и имеют круговую диаграмму направленности в горизонтальной плоскости и многолучевую веерную диаграмму направленности в вертикальной плоскости. Перед началом работ проводится калибровка приемных антенн с помощью акустического излучателя - имитатора шумовых сигналов. В процессе калибровки и мониторинга заданного района принимаемые сигналы со всех направлений веерной диаграммы направленности от каждой антенны передаются в вычислительное многопроцессорное устройство (ВМУ), где выполняется взаимно-корреляционный анализ сигналов, полученных со всех лучей разных антенн. Определение координат мест выхода газовых пузырьков (источников акустического шума в области дна) осуществляют по максимумам и лагам взаимно-корреляционных функций и известным углам прихода сигналов. Определяют также реальные спектры мощности акустической эмиссии от области выхода пузырьков (два спектра с обеих антенн для случая трубопровода и три спектра с трех антенн для области выхода природного сипа). Определение реального эмиссионного спектра пульсирующих газовых пузырьков в области их выхода выполняют путем поиска ближайшей точки калибровки и нормировки полученных измеренных спектров с использованием спектра сигнала имитатора в данной точке. Критерием отсутствия ошибок измерений является близость значений нормированных спектров, определенных с помощью каждой антенны. Функция распределения пузырьков по размерам в области выхода газового потока в водную среду также определяется в ВМУ на основании алгоритма инверсии (АИ) нормированных спектров. Для увеличения достоверности идентификации выхода газа используют усредненный по всем антеннам спектр из области эмиссии, а также результаты анализа эмиссионного спектра на наличие низкочастотных составляющих, обусловленных коллективным взаимодействием газовых пузырьков в «факеле». Схема и комплекс устройств реализации предлагаемого метода для варианта мониторинга газопровода приведены на фиг.2, где 1 - вертикальные антенны с 2 - веерными диаграммами направленности, 3 - блок формирования характеристики направленности, 4 - пространство между антеннами, 5 - заданный объект контроля, 6 - точки положения имитатора акустического шума при калибровке, 7 - ВМУ, 8 - канал связи.To implement the method, acoustic signals are received in the work area using at least two antennas. The maximum number of antennas is almost unlimited and is determined by the length of the monitored objects or the investigated area of a natural object, for example, at least two are required to control the linear sections of underwater gas pipelines, and at least three antennas are required to control the areas of natural gas outlets or technical objects having a distributed configuration at the bottom . Antennas are fixed stationary at the bottom and have a circular radiation pattern in the horizontal plane and a multi-beam fan radiation pattern in the vertical plane. Before starting work, receiving antennas are calibrated using an acoustic emitter - a noise signal simulator. In the process of calibrating and monitoring a given area, the received signals from all directions of the fan radiation pattern from each antenna are transmitted to a computing multiprocessor device (VMU), where a cross-correlation analysis of signals received from all beams of different antennas is performed. The coordinates of the places of exit of gas bubbles (sources of acoustic noise in the bottom area) are determined by the maxima and lags of the cross-correlation functions and the known angles of arrival of the signals. The real acoustic emission power spectra from the bubble exit region are also determined (two spectra from both antennas for the pipeline case and three spectra from three antennas for the natural vulture exit region). Determination of the real emission spectrum of pulsating gas bubbles in the region of their exit is performed by searching for the nearest calibration point and normalizing the obtained measured spectra using the spectrum of the simulator signal at this point. The criterion for the absence of measurement errors is the proximity of the values of the normalized spectra determined using each antenna. The size distribution function of the bubbles in the region where the gas stream enters the aqueous medium is also determined in the VMF based on the inversion algorithm (AI) of the normalized spectra. To increase the reliability of identification of the gas outlet, use is made of the spectrum averaged over all antennas from the emission region, as well as the results of analysis of the emission spectrum for the presence of low-frequency components due to the collective interaction of gas bubbles in the “plume”. A diagram and a set of devices for implementing the proposed method for a gas pipeline monitoring option are shown in FIG. 2, where 1 is a vertical antenna with 2 fan patterns, 3 is a block for generating directivity patterns, 4 is the space between antennas, 5 is a given control object, 6 is points of position of the simulator of acoustic noise during calibration, 7 - VMU, 8 - communication channel.

Перед началом мониторинга заданного объекта 5, например газовой трубы или технических систем газопровода, производят акустическую калибровку района работ. Для этого источник акустического шума, энергетический спектр сигнала которого имеет известное постоянное значение в рабочем диапазоне частот от 500 Гц до 100 кГц, последовательно помещают в равноудаленные друг от друга точки пространства 6 вдоль трубопровода или в узловые точки трехмерной решетки, покрывающей область возможного выхода газа. Выполняют прием и передачу в блок 7 (ВМУ) сигналов белого шума, полученных со всех углов веерной диаграммы направленности с каждой из антенн 1 при нахождении имитатора в точках калибровки. В завершении процедуры калибровки выполняют интерполяцию измеренных спектров калибровки на промежуточные точки с учетом заданной пространственной точности измерений.Before starting monitoring a given object 5, for example, a gas pipe or technical systems of a gas pipeline, an acoustic calibration of the area of work is performed. For this, the source of acoustic noise, the energy spectrum of the signal of which has a known constant value in the operating frequency range from 500 Hz to 100 kHz, is sequentially placed at equally spaced points of space 6 along the pipeline or at the nodal points of the three-dimensional lattice covering the region of possible gas exit. Receive and transmit to block 7 (VMU) white noise signals received from all angles of the fan radiation pattern from each of the antennas 1 when the simulator is at the calibration points. At the end of the calibration procedure, interpolation of the measured calibration spectra to intermediate points is performed taking into account the specified spatial accuracy of the measurements.

В режиме мониторинга выполняют прием сигналов эмиссионного излучения антеннами 1 из области пространства 4 между ними. Диаграмма направленности формируется с помощью блока 3 формирования характеристики направленности (ФХН). В блоке 3 за счет совместной цифровой обработки сигналов, регистрируемых каждым гидрофоном обеих вертикальных антенн, выполняется пространственная фильтрация акустических колебаний и формирование характеристики направленности антенны в вертикальной плоскости по углу α≤5° для диапазона частот принимаемых сигналов от 300 Гц до 100 кГц (пространственная фильтрация - общий термин линейной фильтрации принимаемых сигналов во временной и частотной областях, с целью формирования диаграммы направленности). Также в блоке 3 выполняется идентификация эмиссионных сигналов, полученных с различных направлений (углов), для каждой антенны. Сигналы и результаты их пространственно-временной идентификации передаются в блок 7 (ВМУ), где по результатам взаимно-корреляционной обработки сигналов во времени выполняется определение момента времени и места выхода газовых пузырьков путем поиска максимума функции корреляции между сигналами, полученными с различных направлений вертикальной диаграммы направленности приемных антенн, определение временных сдвигов для функций, имеющих максимумы, и определение дистанции до источника эмиссии d1,2зв×τ1,2, где d1,2 - расстояния от каждой антенны до источника, Сзв - скорость звука в воде, τ1,2 - времена сдвигов (лаги) для случая максимумов корреляционных функций каждой антенны. Положение источника определяется как место пересечения двух окружностей, имеющих радиусы d1 и d2, которые выходят из центров первой и второй антенн, соответственно. Поскольку точек пересечения две, по числу корней, соответствующих этим окружностям уравнения, естественным выбором является положение точки источника в области дна.In the monitoring mode, emission signals are received by the antennas 1 from the area of space 4 between them. The radiation pattern is formed using block 3 of the formation of the directivity pattern (PFN). In block 3, due to the joint digital processing of signals recorded by each hydrophone of both vertical antennas, spatial filtering of acoustic vibrations and the formation of the antenna directivity in the vertical plane along the angle α≤5 ° are performed for the frequency range of the received signals from 300 Hz to 100 kHz (spatial filtering - a general term for linear filtering of received signals in the time and frequency domains, with the aim of forming a radiation pattern). Also in block 3, the identification of emission signals obtained from different directions (angles) for each antenna is performed. The signals and the results of their spatio-temporal identification are transmitted to block 7 (VMU), where, based on the results of cross-correlation processing of signals in time, the moment of time and place of exit of gas bubbles is determined by searching for the maximum correlation function between signals received from different directions of the vertical radiation pattern receive antennas, the determination of time shifts for functions having peaks and determining the distance to the source of emission d 1,2 = C ulcers × τ 1,2, where d 1,2 - distance from each ntenny to the source, ulcers C - the speed of sound in water, τ 1,2 - time shift (lag) for the case of the maxima of the correlation functions of each antenna. The source position is defined as the intersection of two circles having radii d 1 and d 2 that extend from the centers of the first and second antennas, respectively. Since there are two intersection points, according to the number of roots corresponding to these circles of the equation, the natural choice is the position of the source point in the bottom region.

Параллельно с расчетом функций взаимной корреляции сигналов с двух антенн в блоке 7 (ВМУ) определяют спектры мощности этих же сигналов. Спектры мощности сигналов, корреляционные функции которых использовались для определения места выхода газового потока, после предварительной нормировки используют для определения функции распределения пузырьков по размерам. Нормировку спектров сигналов, принятых антеннами, выполняют путем умножения коэффициента передачи по спектру в области выхода газа на измеренный спектр сигнала акустической эмиссии. Коэффициент передачи определяется как обратная величина спектра принятого калибровочного сигнала (измеренного или интерполированного) из области выхода газа. Определение функции распределения пузырьков по размерам производится в блоке 7 на основании алгоритма инверсии (АИ). Данные измерений и результаты обработки со всех модулей передаются по каналу связи и энергообеспечения 8 в центр управления для оценки ситуации и принятия решений. В данной стационарной схеме измерений отсутствуют проблемы, связанные с позиционированием подвижных систем измерений и ограничения по времени измерений, за счет внешнего энергообеспечения 8 используемых систем.In parallel with the calculation of the cross-correlation functions of signals from two antennas in block 7 (VMU), the power spectra of the same signals are determined. The power spectra of the signals, the correlation functions of which were used to determine the exit location of the gas stream, after preliminary normalization are used to determine the size distribution function of the bubbles. The spectra of signals received by the antennas are normalized by multiplying the transmission coefficient over the spectrum in the gas outlet region by the measured spectrum of the acoustic emission signal. The transmission coefficient is defined as the reciprocal of the spectrum of the received calibration signal (measured or interpolated) from the gas outlet area. The determination of the bubble size distribution function is performed in block 7 based on the inversion algorithm (AI). Measurement data and processing results from all modules are transmitted via the communication and power supply channel 8 to the control center to assess the situation and make decisions. In this stationary measurement scheme, there are no problems associated with the positioning of movable measuring systems and time limits for measurements due to the external power supply of 8 used systems.

Алгоритм инверсии включает представление значений нормированного с учетом калибровки спектра эмиссионного сигнала в месте выхода газового потока Snorm(ω) в видеThe inversion algorithm includes the representation of the normalized values taking into account the calibration of the spectrum of the emission signal at the gas stream exit point S norm (ω) in the form

S ( ω ) n o r m = 0 D ( R 0 ) | X b ( ω ; R 0 ) | 2 d R 0 ( 3 )

Figure 00000007
S ( ω ) n o r m = 0 D ( R 0 ) | | | X b ( ω ; R 0 ) | | | 2 d R 0 ( 3 )
Figure 00000007

где D(R0) - распределение по размерам эмиссионных пузырьков как функция радиусов их резонансных радиусов R0, определяемая таким образом, что R 1 R 2 D ( R 0 ) d R 0

Figure 00000008
является числом пузырьков, генерируемым за секунду в диапазоне радиусов (R1, R2). Резонансные радиусы связаны с резонансными частотами пузырьков ω0 согласно выражениюwhere D (R 0 ) is the size distribution of emission bubbles as a function of the radii of their resonance radii R 0 , defined in such a way that R one R 2 D ( R 0 ) d R 0
Figure 00000008
is the number of bubbles generated per second in the range of radii (R 1 , R 2 ). Resonance radii are associated with the resonant frequencies of the bubbles ω 0 according to the expression

ω 0 = 1 R 0 ρ 0 × ( 3 k ( ρ 0 ρ ν + 2 σ R 0 ) 2 σ R 0 + ρ ν 4 η ρ 0 R 0 2 ) × ( 1 ρ w β ρ w + β R 0 2 d ) 1 2 ( 4 )

Figure 00000009
ω 0 = one R 0 ρ 0 × ( 3 k ( ρ 0 - ρ ν + 2 σ R 0 ) - 2 σ R 0 + ρ ν - four η ρ 0 R 0 2 ) × ( one - ρ w - β ρ w + β R 0 2 d ) - one 2 ( four )
Figure 00000009

где ρν - давление пара, σ - поверхностное натяжение жидкости, η - сдвиговая вязкость, k - индекс политропны изменяется между γ (отношение удельной теплоты газа при постоянном давлении к значению в постоянном объеме) и единицей в зависимости от того, ведет ли газ себя адиабатически, изотермически или некоторым промежуточным способом, β = ρ 0 ( ν 1 ν )

Figure 00000010
, ν - коэффициент Пуассона в осадках. Выражение |Xb(ω;R0)|2 представляет собой квадрат магнитуды преобразования Фурье дипольного излучения одиночного пузырька, обнаруживаемое в дальнем поле, равного X ( ω ; R 0 ) = ( ( ω 0 R 0 ) 2 ρ 0 r R ε o i ) ω 0 δ t o t / 2 + j ω [ ω 0 δ t o t / 2 + j ( ω ω 0 ) ] [ ω 0 δ t o t / 2 + j ( ω + ω 0 ) ] × ( 1 ρ w β ρ w + β R 0 2 d ) ( 5 )
Figure 00000011
where ρ ν is the vapor pressure, σ is the surface tension of the liquid, η is the shear viscosity, k is the polytropic index varies between γ (the ratio of the specific heat of the gas at constant pressure to the value in a constant volume) and unity depending on whether the gas behaves adiabatically, isothermally or in some intermediate way, β = ρ 0 ( ν one - ν )
Figure 00000010
, ν - Poisson's ratio in sediments. The expression | X b (ω; R 0 ) | 2 represents the square of the magnitude of the Fourier transform of the dipole radiation of a single bubble, detected in the far field, equal to X ( ω ; R 0 ) = ( ( ω 0 R 0 ) 2 ρ 0 r R ε o i ) ω 0 δ t o t / 2 + j ω [ ω 0 δ t o t / 2 + j ( ω - ω 0 ) ] [ ω 0 δ t o t / 2 + j ( ω + ω 0 ) ] × ( one - ρ w - β ρ w + β R 0 2 d ) ( 5 )
Figure 00000011

где r - это расстояние до точки измерения эмиссионного излучения, Rε0 - амплитуда осцилляции стенки пузырька i-го пузырька. Экспоненциальное затухание для пузырька, который осциллирует на собственной частоте ω0, имея начальную амплитуду Rε0i, описывается общим безразмерным коэффициентом затухания, δtot. Для оценки числа пузырьков по измерениям спектра мощности в дальнем поле решается уравнение (3) для D(R0) и нормированного Snorm(ω). Для этого производится дискретизация (3) на Nb конечных отрезка радиуса таких, что n-ый отрезок радиуса, имеющий центр на значении R n c

Figure 00000012
, а отрезки радиуса находятся в диапазоне Rl,n<R0≤Ru,n, где Rl,n и Ru,n - нижний и верхний пределы распределения, соответственно. Кроме того, предполагается, что отрезки непрерывны, так что Ru,n-1=Rl,n для n=2, 3…, Nb. B этом случае:where r is the distance to the point of measurement of emission radiation, R ε0 is the amplitude of the oscillation of the wall of the bubble of the ith bubble. The exponential attenuation for a bubble that oscillates at the natural frequency ω 0 , having an initial amplitude R ε0i , is described by the general dimensionless attenuation coefficient, δ tot . To estimate the number of bubbles from measurements of the power spectrum in the far field, equation (3) is solved for D (R 0 ) and normalized S norm (ω). To do this, discretize (3) on N b finite segments of radius such that the nth segment of radius having a center at R n c
Figure 00000012
, and the radius segments are in the range R l, n <R 0 ≤R u, n , where R l, n and R u, n are the lower and upper limits of the distribution, respectively. In addition, it is assumed that the segments are continuous, so that R u, n-1 = R l, n for n = 2, 3 ..., N b. In this case:

S n o r m ( ω k ) n = 1 N b ψ ( n ) | X ( ω k ; R n c ) | 2 ( 6 )

Figure 00000013
S n o r m ( ω k ) n = one N b ψ ( n ) | | | X ( ω k ; R n c ) | | | 2 ( 6 )
Figure 00000013

Функция Ψ(n) отражает генерацию пузырьков в диапазоне дискретизации радиусов (то есть число пузырьков, образовывающихся в секунду в пределах энного отрезка радиуса) и может быть представлена в видеThe function Ψ (n) reflects the generation of bubbles in the range of discretization of radii (i.e., the number of bubbles produced per second within the nth segment of the radius) and can be represented as

Ψ ( n ) = R l , n R u , n D ( R 0 ) d R 0 ( 7 )

Figure 00000014
Ψ ( n ) = R l , n R u , n D ( R 0 ) d R 0 ( 7 )
Figure 00000014

Практически спектр Snorm(ω) рассматривается в дискретном виде по частотам, ωk, с диапазонами радиусов, R k c

Figure 00000015
связаны с угловой резонансной частотой пузырьков ωk, и когда число частот равно числу пузырьков с соответствующими радиусами, можно записатьIn practice, the spectrum of S norm (ω) is considered in a discrete form in terms of frequencies, ω k , with ranges of radii, R k c
Figure 00000015
are related to the angular resonant frequency of the bubbles ω k , and when the number of frequencies is equal to the number of bubbles with corresponding radii, we can write

S n o r m ( ω k ) n = 1 N b Ψ ( n ) | X ( ω k ; R n c ) | 2 ( 8 )

Figure 00000016
S n o r m ( ω k ) n = one N b Ψ ( n ) | | | X ( ω k ; R n c ) | | | 2 ( 8 )
Figure 00000016

или в матричной формеor in matrix form

S n o r m = Σ Ψ ( 9 )

Figure 00000017
S n o r m = Σ Ψ ( 9 )
Figure 00000017

Здесь Σ - спектральная матрица с элементами k , n | X ( ω k ; R n c ) | 2

Figure 00000018
и S - вектор-столбец, содержащий измеренные и нормированные спектры Snormk). Функция Ψ(n) определяется путем решения уравнения (8) или (9) стандартными методами решения систем линейных уравнений.Here Σ is a spectral matrix with elements k , n | | | X ( ω k ; R n c ) | | | 2
Figure 00000018
and S is a column vector containing the measured and normalized spectra of S normk ). The function Ψ (n) is determined by solving equation (8) or (9) by standard methods for solving systems of linear equations.

В отличие от известных алгоритмов, использующих инверсию эмиссионного спектра для определения функции распределения пузырьков по размерам, в предлагаемом методе используют сигналы акустической эмиссии от источников газовых пузырьков вблизи дна, полученные с помощью вертикальных приемных антенн с веерной диаграммой направленности в вертикальной плоскости, которые предварительно калибруются, с использованием источника шума с равномерным спектром в области рабочих частот, а для определения функции распределения пузырьков по размерам D(R0) и полного газового потока используют нормированные с учетом акустической калибровки спектры акустической эмиссии.In contrast to the known algorithms that use the inversion of the emission spectrum to determine the size distribution function of the bubbles, the proposed method uses acoustic emission signals from sources of gas bubbles near the bottom, obtained using vertical receiving antennas with a fan radiation pattern in the vertical plane, which are pre-calibrated, using a noise source with a uniform spectrum in the operating frequency region, and to determine the size distribution function of the bubbles D (R 0) and full gas flow is used with the normalized acoustic calibration of acoustic emission spectra.

Таким образом, использование предлагаемого метода пассивного акустического мониторинга придонных газожидкостных потоков позволяет повысить точность идентификации и определения положения источников акустической эмиссии (сипов и утечек газа из технических систем) в области дна за счет предложенного способа регистрации сигналов акустической эмиссии с использованием направленных вертикальных антенн, имеющих круговые диаграммы направленности в горизонтальной плоскости и веерную диаграмму направленности в вертикальной плоскости, анализа эмиссионных спектров и формы характеристики направленности области излучения, определить количественные характеристики потоков газа со дна за счет использования нормированных спектров, полученных с учетом предварительной акустической калибровки района работ, а также позволяет осуществлять длительный мониторинг придонных районов с целью обнаружения выходов новых газовых потоков и контроля за действующими газожидкостными источниками на дне.Thus, the use of the proposed method of passive acoustic monitoring of bottom gas-liquid flows can improve the accuracy of identification and determination of the position of acoustic emission sources (gasps and gas leaks from technical systems) in the bottom area due to the proposed method for recording acoustic emission signals using directional vertical antennas with circular horizontal radiation patterns and a vertical fan pattern, an lysis of emission spectra and the shape of the directivity of the radiation region, to determine the quantitative characteristics of gas flows from the bottom through the use of normalized spectra obtained taking into account preliminary acoustic calibration of the work area, and also allows for long-term monitoring of the bottom areas in order to detect new gas flows and control operating gas-liquid sources at the bottom.

Claims (1)

Метод акустического мониторинга придонных газожидкостных потоков путем приема сигналов акустической эмиссии в исследуемой области, их регистрации и обработки, отличающийся тем, что в качестве систем приема сигналов используют как минимум две, размещенные стационарно на известном расстоянии друг от друга, вертикальные антенны, имеющие круговые диаграммы направленности в горизонтальной плоскости и веерную диаграмму направленности в вертикальной плоскости, регистрацию сигналов осуществляют со всех направлений веерной диаграммы направленности от каждой из антенн, при этом предварительно осуществляют калибровку систем приема сигналов в конкретном районе работ с использованием имитатора шумовых сигналов с равномерным спектром в области рабочих частот и записью калибровочного спектра, а затем с учетом калибровки выполняют измерение и нормировку эмиссионных спектров исследуемой области, проводят взаимно-корреляционный анализ полученных сигналов во времени и определяют места выхода газа от источников акустического шума по максимумам функции корреляции между сигналами, полученными с различных направлений вертикальной диаграммы направленности приемных антенн и временным сдвигом между ними, по формуле d1,2зв×τ1,2, где d1,2 - расстояния от центров первой и второй антенн до источника, Сзв - скорость звука в воде, τ1,2 - времена сдвигов для случая максимумов корреляционных функций каждой антенны, и объем выходящего потока путем суммирования объемов всех газовых пузырьков в функции распределения пузырьков по размерам Ψ(n), полученной путем решения системы уравнений S n o r m ( ω k ) n = 1 N b Ψ ( n ) | X ( ω k ; R n c ) | 2
Figure 00000019
, где Snormk) - значения нормированного с учетом калибровки спектра эмиссионного сигнала в месте выхода газового потока, | X ( ω k ; R n c ) | 2
Figure 00000020
- квадрат магнитуды преобразования Фурье дипольного излучения одиночного пузырька с учетом точного задания собственных частот и учетом взаимодействия пузырьков с дном в дальнем поле.
The method of acoustic monitoring of bottom gas-liquid flows by receiving acoustic emission signals in the studied area, their registration and processing, characterized in that at least two vertical antennas having circular radiation patterns placed stationary at a known distance from each other are used as signal reception systems in the horizontal plane and the fan radiation pattern in the vertical plane, the registration of signals is carried out from all directions of the fan diagram, for example signal from each of the antennas, while preliminary calibrating the signal reception systems in a particular area of work using a noise signal simulator with a uniform spectrum in the operating frequency region and recording the calibration spectrum, and then taking into account the calibration, measure and normalize the emission spectra of the studied area, cross-correlation analysis of the received signals in time and determine the places of gas exit from the sources of acoustic noise by the maxima of the correlation function between the signal lamellas obtained from different directions of the vertical radiation pattern of the receiving antennas and the time shift between them, according to the formula d 1,2 = C sv × τ 1,2 , where d 1,2 are the distances from the centers of the first and second antennas to the source, C sv is the speed of sound in water, τ 1,2 is the shear time for the case of maxima of the correlation functions of each antenna, and the volume of the output stream by summing the volumes of all gas bubbles in the size distribution function of the bubbles Ψ (n) obtained by solving the system of equations S n o r m ( ω k ) n = one N b Ψ ( n ) | | | X ( ω k ; R n c ) | | | 2
Figure 00000019
, where S normk ) are the values normalized taking into account the calibration of the spectrum of the emission signal at the exit of the gas stream, | | | X ( ω k ; R n c ) | | | 2
Figure 00000020
- the square of the magnitude of the Fourier transform of the dipole radiation of a single bubble, taking into account the exact setting of natural frequencies and taking into account the interaction of the bubbles with the bottom in the far field.
RU2013103963/28A 2013-01-29 2013-01-29 Method of passive acoustic monitoring of demersal gas-liquid flows RU2521717C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013103963/28A RU2521717C1 (en) 2013-01-29 2013-01-29 Method of passive acoustic monitoring of demersal gas-liquid flows

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013103963/28A RU2521717C1 (en) 2013-01-29 2013-01-29 Method of passive acoustic monitoring of demersal gas-liquid flows

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2521717C1 true RU2521717C1 (en) 2014-07-10

Family

ID=51217055

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013103963/28A RU2521717C1 (en) 2013-01-29 2013-01-29 Method of passive acoustic monitoring of demersal gas-liquid flows

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2521717C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2584721C1 (en) * 2015-04-06 2016-05-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) Passive-active acoustic method of detection and localisation of gas leaks in gas-liquid medium
RU2611556C1 (en) * 2015-11-09 2017-02-28 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Method for determination of multiposition sonar system efficiency

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU851255A1 (en) * 1979-07-03 1981-07-30 Предприятие П/Я В-2539 Device for measuring sea surface aerated layer characteristics
JPS56168527A (en) * 1980-05-30 1981-12-24 Tokyo Gas Co Ltd Method for detecting leaking point in pipeline
RU2196931C2 (en) * 2001-01-25 2003-01-20 Дальневосточный государственный технический университет Method of detection of break in underwater pipe line
RU2445594C1 (en) * 2010-09-03 2012-03-20 Открытое акционерное общество "Газпром" Method of diagnosing main pipelines and device for realising said method
RU2463203C2 (en) * 2010-12-28 2012-10-10 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Towed underwater vehicle equipped with hydroacoustic equipment for sludged objects and pipelines

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU851255A1 (en) * 1979-07-03 1981-07-30 Предприятие П/Я В-2539 Device for measuring sea surface aerated layer characteristics
JPS56168527A (en) * 1980-05-30 1981-12-24 Tokyo Gas Co Ltd Method for detecting leaking point in pipeline
RU2196931C2 (en) * 2001-01-25 2003-01-20 Дальневосточный государственный технический университет Method of detection of break in underwater pipe line
RU2445594C1 (en) * 2010-09-03 2012-03-20 Открытое акционерное общество "Газпром" Method of diagnosing main pipelines and device for realising said method
RU2463203C2 (en) * 2010-12-28 2012-10-10 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Towed underwater vehicle equipped with hydroacoustic equipment for sludged objects and pipelines

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2584721C1 (en) * 2015-04-06 2016-05-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения Российской академии наук (ТОИ ДВО РАН) Passive-active acoustic method of detection and localisation of gas leaks in gas-liquid medium
RU2611556C1 (en) * 2015-11-09 2017-02-28 Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации Method for determination of multiposition sonar system efficiency

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20210231800A1 (en) Sound velocity profile inversion method based on inverted multi-beam echometer
Carey et al. Ocean ambient noise: measurement and theory
RU2474793C1 (en) Method for parametric reception of waves of different physical nature in marine environment
RU2445594C1 (en) Method of diagnosing main pipelines and device for realising said method
Li et al. Broadband acoustic inversion for gas flux quantification—Application to a methane plume at Scanner Pockmark, central North Sea
Kawanisi et al. Continuous measurements of flow rate in a shallow gravel‐bed river by a new acoustic system
CN104807512B (en) A kind of method of ultrasonic measurement sea bottom percolation throughput
Zhao et al. Theoretical analysis and numerical experiments of variational adjoint approach for refractivity estimation
Wang et al. Review of underwater acoustic propagation models.
RU2536836C1 (en) System for parametric reception of hydrophysical and geophysical waves in marine environment
RU2343502C2 (en) Method and system of positional analysis of object under observation by depth in aqueous medium
US4924449A (en) Acoustic sub-surface interrogator
RU2527136C1 (en) Method of measuring depth of object using sonar
RU2466425C1 (en) Method of measuring characteristics of wavy water surface
RU2451300C1 (en) Hydroacoustic navigation system
RU2521717C1 (en) Method of passive acoustic monitoring of demersal gas-liquid flows
Cao et al. Near-field target localisation based on the distributed acoustic sensing optical fibre in shallow water
RU2436134C1 (en) Method for rapid investigation of atmosphere, earth&#39;s surface and ocean
CN109492281A (en) A kind of shallow sea geoacoustic inversion method based on low frequency underwater propagation characteristic
RU2382270C1 (en) Method for emergency diagnostics of trunk pipeline
RU2196931C2 (en) Method of detection of break in underwater pipe line
RU2584721C1 (en) Passive-active acoustic method of detection and localisation of gas leaks in gas-liquid medium
JP4342546B2 (en) Turbidity monitoring method and turbidity monitoring device in water
RU2592741C1 (en) Hydroacoustic station for detection and location of gas leaks
RU2463631C1 (en) Method to detect earthquake sources by network of seismic stations

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20210130