TWI683104B

TWI683104B - 偵測系統及偵測方法

Info

Publication number: TWI683104B
Application number: TW107147579A
Authority: TW
Inventors: 蔡曜隆; 蔡太平; 王立華; 潘益宗
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2018-12-28
Publication date: 2020-01-21
Also published as: CN111385724B; TW202026636A; CN111385724A

Abstract

一種偵測方法，係於管路之其中一埠口上配置音源裝置，而於另一埠口上配置訊號接收器，再將該音源裝置之特定頻率之聲音導入該管路中，以產生共振聲波，並藉由電腦模擬該訊號接收器於接收該共振聲波後所產生之訊號，以作為參考資訊，且該參考資訊係包含該共振聲波之特性之第一資料及該目標物件形成假想缺陷之特徵之資料，故當該管路具有真實缺陷時，將該音源裝置之特定頻率之聲音導入該管路中，以令該訊號接收器接收該共振聲波而獲取第二資料，再將該第一與第二資料進行比對，即可得知該真實缺陷特徵。

Description

偵測系統及偵測方法

本揭露係有關一種偵測系統及方法，尤指一種應用聲波之偵測系統及方法。

目前生活或工業所需之管路密布複雜，如35000公里長之天然氣管路或4060公里成之輸油管密布全台灣地區，且全球至少有350萬公里油氣管路，其多數壽命已超過40年，故若老舊管路劣化及腐蝕會造成意外事故。

近年來，工業管路之相關工安事故係主要來自於外力損傷所形成之表面缺陷或來自於材料劣化，再加上環境腐蝕因素，因而逐漸造成裂紋或壁結構減薄，導致破孔或裂縫之情況，故若能即時有效偵測管路之破孔或裂縫，即能避免意外事故發生。

傳統偵測方式中，因當管路破裂時，突然釋放之壓力會被動地產生共振聲波，故可於管路之任一處偵測該共振聲波，以判斷破裂處。然而，此種被動產生之共振聲波，其強度不夠，且容易受噪音雜訊干擾，因而儀器難以有效偵測到該共振聲波，甚至因管路內部之壓力過小而常無法激發出該共振聲波，致使儀器無法偵測到該共振聲波。另外，習知接收被動式共振聲波之方式僅限用於液體管路，而不適用氣體管路（如天然氣管路）。

因此，遂有業者採用之方式，以改善習知接收被動式共振聲波之方式之缺點。習知主動發射聲波之方式中，係將如第1圖所示之聲音發射器1朝一管路10之內部提供全域頻寬（即0~∞赫茲之頻率）之聲音，以當頻寬中之頻率與該管路10內液體之共振頻率相同時，可激發出該管路10內之共振聲波，並於該管路10上配置複數訊號接收器1a，以偵測該管路10上形成缺陷之位置。

惟，習知方式中，對於長距離之管路而言，該聲音發射器需發出之聲音能量極大，因而極為耗能，且所需之設備亦極大。

再者，習知方式中，所需偵測之頻率範圍過多，即全域頻寬，致使訊號資料之分析處理量極多，故不僅影響判斷速度，致使無法即時得知缺陷之位置，且因偵測準確度不佳（如位置判斷誤差約±50公尺以上）而需大面積開挖路面，造成用路者之不便。

又，習知方式中，需於該管路之多處位置上配置該訊號接收器，以藉由調控該聲音發射器所發出之聲音能量，使該管路之各處均能接收到聲波，甚至於彎折處也能接收到聲波，故需使用大量之訊號接收器，且需開挖多處路面以安裝該些訊號接收器，因而造成偵測作業之成本提高。

因此，如何克服習知技術之種種缺點，實為目前各界亟欲解決之技術問題。

鑑於上述習知技術之種種缺失，本揭露係提供一種偵測系統，係用於偵測目標物件之缺陷，且該目標物件具有容置空間、連通該容置空間之第一埠口及第二埠口，該偵測系統包括：音源裝置，係設於該第一埠口上，以提供聲音經由該第一埠口輸入該容置空間中而產生共振聲波；資料庫，係儲存參考資訊，該參考資訊係來自於模擬該訊號接收器於接收該共振聲波後所產生之訊號，且該參考資訊係包含該共振聲波之特性之第一資料及該目標物件形成假想缺陷之特徵之資料，其中，該假想缺陷之特徵與該共振聲波之特性係相互對應；其中，該訊號接收器係用以接收該共振聲波而獲取一目標資訊，並傳遞該目標資訊予該資料庫，且該目標資訊係包含該共振聲波於該目標物件具有真實缺陷時之特性之第二資料，俾透過該目標資訊與該參考資訊之比對，以由該第一資料所對應之假想缺陷之特徵得知該第二資料所對應之真實缺陷之特徵。

本揭露復提供一種偵測方法，係包括：提供一具有容置空間之目標物件，且該目標物件具有連通該容置空間之第一埠口與第二埠口，並於該第一埠口上配置音源裝置，而於該第二埠口上配置訊號接收器；令該音源裝置將聲音經由該第一埠口輸入該容置空間中，以產生共振聲波；模擬該訊號接收器於接收該共振聲波後所產生之訊號，以作為參考資訊，且該參考資訊係包含該共振聲波之特性之第一資料及該目標物件形成假想缺陷之特徵之資料，其中，該假想缺陷之特徵與該共振聲波之特性係相互對應；當該目標物件產生真實缺陷時，該訊號接收器於該第二埠口接收該共振聲波時會獲取一目標資訊，其中，該目標資訊係包含該共振聲波於該目標物件產生該真實缺陷時之特性之第二資料；以及將該目標資訊與該參考資訊進行比對作業，以藉由該第一資料所對應之假想缺陷之特徵得知該第二資料所對應之真實缺陷之特徵。

前述之偵測系統及偵測方法中，該目標物件之容置空間係容置氣體或流體。

前述之偵測系統及偵測方法中，該目標物件係為管體或槽體，甚至其它適當結構體，且不論該容置空間為封閉式或開放式。

前述之偵測系統及偵測方法中，該音源裝置係提供不同頻率之聲音。

前述之偵測系統及偵測方法中，該音源裝置係提供不同音量之聲音。

前述之偵測系統及偵測方法中，該共振聲波於該容置空間中係呈駐波狀態。

前述之偵測系統及偵測方法中，該共振聲波之特性係為頻率變化量或強度。

前述之偵測系統及偵測方法中，該第一資料（其來源）係來自該音源裝置所提供之複數模擬頻率之聲音，且該第二資料（其來源）係來自該音源裝置所提供之目標頻寬段之聲音，而該目標頻寬段之範圍係為該些模擬頻率中之任二者之區間。

前述之偵測系統及偵測方法中，該參考資訊係以電腦程式方式模擬而得者或以機構配置方式模擬而得者。

前述之偵測系統及偵測方法中，該目標資訊之第二資料係為該訊號接收器於前、後時間點所偵測得之頻率之差值。

前述之偵測系統及偵測方法中，該假想缺陷之特徵係為位置及/或尺寸，以於進行該比對作業時，所得知該真實缺陷之特徵係為位置及/或尺寸。

由上可知，本揭露之偵測系統及偵測方法，主要藉由該音源裝置主動將聲音導入該目標物件內，且該聲音之頻率範圍係能使該聲音於該容置空間中之水、空氣（或其它流體）中形成聲場駐波，以激發出共振聲波，因而當共振頻率改變時，即可判斷缺陷發生，並可利用該比對作業判斷該真實缺陷之特徵。

以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。

須知，本說明書所附圖式所繪示之結構、比例、大小等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技藝之人士之瞭解與閱讀，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之功效及所能達成之目的下，均應仍落在本發明所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。同時，本說明書中所引用之如「上」、「第一」、「第二」及「一」等之用語，亦僅為便於敘述之明瞭，而非用以限定本發明可實施之範圍，其相對關係之改變或調整，在無實質變更技術內容下，當視為本發明可實施之範疇。以下藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。

第1圖係為本揭露之偵測系統2的設備配置示意圖。如第1圖所示，該偵測系統2係包括：一音源裝置20、一訊號接收器21以及一資料庫22。

於本實施例中，所述之偵測系統2係用於偵測一目標物件3之缺陷，且該目標物件3具有一容置空間S、連通該容置空間S之第一埠口31與第二埠口32。例如，該目標物件3係為管體（如第2圖所示）、腔體（如第2圖所示之目標物件3’）或其組合，其容置空間S係為封閉式或開放式且用以容置氣體或流體。具體地，該管體型目標物件3a,3b,3c,3d,3e可依需求採用直管、彎管或其組合，如各種彎曲角度（如第2A至2D圖所示之30°、60°、90°、180°或其它等夾角θ）之彎管或如第2E圖所示之組合管，且該腔體型目標物件3’係可為化學槽、氣室或其它具侷限空間腔體、或其他結構體等。

所述之音源裝置20係設於該第一埠口31上，以提供聲音經由該第一埠口31輸入該容置空間S中而產生共振聲波。

於本實施例中，該音源裝置20係為聲音發射器，如喇叭、無線型（藍芽）聲音發射器、有線型超音波發射器等，其能提供不同頻率之聲音及/或提供不同音量之聲音。

再者，該共振聲波於該容置空間S中係呈駐波狀態，如第3圖所示之實際量測原始管路的聲波擷取圖(訊號接收器21於第二埠口32接收訊號)，第3圖係容置空間S於未產生任何缺陷或破裂前（正常狀態）之頻率與聲壓的關係圖，其波峰所在處A係為駐波頻率，且第3圖所示之dBV係為聲音系統中聲壓之單位，其由20 log(V _t/V ₀)之公式演算而得，其中，V _t係為電壓測量值，V ₀係為指定的參考電壓，而dBV之定義係為以電壓1伏特為基準的dB值，即V ₀等於1伏特(V)。

如第1圖所示，所述之資料庫22係儲存參考資訊，該參考資訊係來自於模擬該訊號接收器21於接收該共振聲波之前及於接收該共振聲波之後所產生之訊號，且該參考資訊係包含該共振聲波之特性之第一資料及該目標物件3形成至少一假想缺陷之特徵（如位置及/或尺寸）之相關資料，其中，該第一資料係包含共振聲波於正常狀態（無假想缺陷）或變化狀態（有假想缺陷）下各頻率掃頻後的聲壓或振幅的頻率變化，該假想缺陷係定義為該目標物件3之本體上所假設之如破洞、破孔、裂縫等連通該容置空間S之非預期開口狀，且該假想缺陷之特徵會影響該共振聲波之特性，致使兩者相互對應，即每一種假想缺陷之特徵會產生一筆第一資料。具體地，該參考資訊之第一資料與該假想缺陷之特徵之間的對應關聯性可定義如下表所示：

	第一資料之第一態樣	第一資料之第二態樣
假想缺陷	無對應假想缺陷之特徵	有對應假想缺陷之特徵

具體地，針對各個不同的管路（如第1、2A至2E圖所示之目標物件3, 3a~3e）或槽體（如第2圖所示之目標物件3’）於偵測之前，需建立一資料庫22。例如，該資料庫22儲存該參考資訊，該參考資訊包含各種管路佈設或各種槽體於產生不同尺寸與位置之缺陷或破孔後（變化狀態，第一資料之第二態樣）之駐波頻率、及該些管路佈設或槽體於未產生任何缺陷或破裂前（即正常狀態，第一資料之第一態樣）之對應駐波頻率的頻率差變化頻譜資料，其中，於頻率差變化頻譜資料中，每一筆代表一個案例（或模式）於各駐波頻率的頻率變化。

進一步，第3圖（駐波音場資料）為初始建置該資料庫22時需進行的實際掃頻作業，第3圖係該容置空間S於未產生任何缺陷或破裂前（正常狀態）之頻率與聲壓的關係圖，其目的在於定義該偵測系統2之駐波頻率，且第3圖中之波峰所在處A為該偵測系統1的駐波頻率，以依據診斷所需之頻寬段可一直掃頻（不限定在低頻段），如2KHz，5KHz，甚至到超音波段20KHz以上均可如此定義。於建置該資料庫22之過程中，如後述之第4A圖，可藉由模擬方式得到各種管路頻率資料，此為比對現場管路（或第3圖之實際駐波頻率）所作驗證比對調整。

該資料庫22包含第3圖、第4A圖之外，復包含管路或槽體具有假想缺陷或假想破孔的頻率資料(第一資料之第二態樣)，如第4B圖所示之正常狀態下（無缺陷）於某一位置（如自該第一埠口31延伸50公尺之位置）之曲線圖，第4B圖係採用模擬方式取得；第4C-1圖係模擬於各位置下，假想破孔前後的頻率變化圖、及第4C-2圖係模擬於同位置下，假想破孔前後且不同孔徑的頻率變化圖。

於本實施例中，如第1圖所示，該資料庫22係配置於一如電腦主機2a、雲端伺服器或其它電子裝置中。在實際量測破管之前，該資料庫22需先進行建立階段。

再者，該參考資訊係以電腦程式方式模擬而得者，如第1圖所示，其係將欲測試之管路或槽室之配置資訊（如虛擬模型）匯入該電腦主機2a中，以模擬該欲測試之管路或槽室於正常狀態時之共振聲波之特性、或於產生假想缺陷時之共振聲波之特性及其相關資料（如該假想缺陷之特徵），如第4A、4B、4C-1至4C-2圖。或者，該參考資訊亦可以機構配置配合量測儀器之方式模擬而得，如第2E圖所示，其係仿照現場管路或槽室之配置組建或搭設另一相同管路或相同槽室，以模擬該現場管路或槽室於正常狀態時之共振聲波之特性、或於產生假想缺陷時之共振聲波之特性及其相關資料（如假想缺陷之特徵）。例如，可採用真實破管方式(產生不同破管位置或大小)，以建立實際缺陷時之共振聲波之特性及其相關資料，藉此建立資料庫22與參考資訊。

又，參照第4A圖，由於電腦程式之種類繁多，故為了選擇較佳的電腦程式，可將各種電腦程式（如第一模擬程式、第二模擬程式...第N模擬程式）所演算出之各種參考資訊與該機構配置（仿照現場管路）配合量測儀器所測得之參考資訊進行比對，以選擇較匹配者作為模擬程式，而確保該電腦程式之模擬準確性。具體地，於各種模式（即欲測試之管路或槽室之各種態樣，如第1至2E圖所示，且將各種態樣編列為第4A圖所示之編號1~45）下，相同聲音分貝量所得之共振聲波之特性幾乎相符合，約95%以上吻合度。例如，該機構配置之仿照現場管路配合量測儀器於該第二埠口32所測得之頻率（如第4A圖所示之模式1,2,3,4,5,6,7,25,26,27,28,36,37,38,43,44,45之落點P），若疊合於某一個電腦程式（如第一模擬程式）之虛擬管路於該第二埠口32所演算出之頻率（如第4A圖所示之斜線L）上，則可選擇該電腦程式（如第一模擬程式）作為該電腦主機2a之模擬程式，以用於後續進行該資料庫22之建置參考資訊之相關作業。

另外，該共振聲波之特性係為強度或頻率變化量(frequency shift)。具體地，當該音源裝置20提供不同輸出頻率之聲音時，該第一與第二埠口31,32之間的路徑上之各位置所產生之聲音強度（或聲壓）會不相同，如第4B圖所示之資料庫22之部分內容，其於模擬正常狀態下（無缺陷）於某一位置（如自該第一埠口31延伸50公尺之位置或是在第二埠口32處）接收回波頻率之曲線圖、或以列表方式呈現（如下兩列表所示）。第4B圖與表一、表二均屬於資料庫20之演算過程之一部分且屬於第一資料之第一態樣，其並無對應之假想缺陷之特徵之相關資料，藉此可用以建立該資料庫22之參考資訊之第一資料之第一態樣。

表一：

自該第一埠口31延伸9公分之位置
輸出頻率(赫茲)	聲壓(dB)
70	149.25
140	150.52
210	143.67
280	142.69
350	135.92
420	147.51

表二：

自該第一埠口31延伸200公尺之位置
輸出頻率(赫茲)	聲壓(dB)
70	76.12
140	74.31
210	70.36
280	74.3
350	67.42

或者，於該目標物件3具有相同尺寸之假想缺陷之條件下，當該假想缺陷位於不同位置時，第4B圖所示之曲線圖會發生變化或位移，即在駐波音場下，破孔會導致頻率變化(頻率變化可能為頻率上升或下降的情形)，故於該容置空間S之各處所模擬出之頻率會產生變化，且將此處改變後之頻率（破孔後）與原本之頻率（破孔前）兩者之差值作為頻率變化量，以得到管路上之各位置之頻率變化量之曲線圖。

資料庫22進一步建構具有假想缺陷或假想破孔的頻率資料(第一資料之第二態樣)，第4C-1圖、第4C-2圖為第一資料之第二態樣。所述之頻率變化量，其曲線圖係如第4C-1圖所示的橫軸單位為頻率(赫茲)及縱軸單位為頻率變化量(ΔHz) ，第4C-1圖係採用模擬方式且第4C-1圖上之曲線上的各點係代表於該頻率下，假想破孔前頻率與假想破孔後頻率之間的頻率變化量，如第4C-1圖所示之虛線L1（其代表當該假想缺陷與該第一埠口31之間的路徑長度為1公尺時，橫軸的頻率代表第一埠口31發射出的各頻率，先量測未有假想缺陷時，第二埠口32所接收的回波頻率；再量測有假想缺陷下，第二埠口32所接收的回波頻率，且將兩曲線相減後得到該虛線L1）、實線L2（代表當該假想缺陷與該第一埠口31之間的路徑長度為3公尺時所演算之結果）及節點線L3（代表當該假想缺陷與該第一埠口31之間的路徑長度為4.9公尺時所演算之結果）。具體地，橫軸的頻率是第一埠口31打出的各頻率0~2000赫茲，曲線各點為第二埠口32所接收的回波頻率，在破孔前後的頻率變化量。該頻率變化量之計算方式，以虛線L1為例，資料點(1500赫茲，4赫茲) 代表第一埠口31發射出1500赫茲，當第一埠口31相距1公尺處產生一假想缺陷時，第二埠口32所接收的回波頻率將產生4赫茲的頻率變化量。

同理地，如第4C-2圖所示，其橫軸的單位為頻率(赫茲Hz)，縱軸單位為頻率變化量(ΔHz) ，第4C-2圖採用模擬方式且圖上曲線上的各點代表該頻率下，假想破孔前頻率與假想破孔後頻率之間的頻率變化量，橫軸的頻率是第一埠口31打出的各頻率0~2000赫茲；曲線各點為第二埠口32所接收的回波頻率，在破孔前後的頻率變化量。於該目標物件3具有相同位置（如該假想缺陷與該第一埠口31之間的路徑長度為4.9公尺）之假想缺陷之條件下，當該假想缺陷具有不同尺寸時，亦會得到頻率變化量，故能得到該假想缺陷之尺寸之曲線圖，如第4C-2圖所示之下方曲線L4（先量測未有假想缺陷時，橫軸的頻率代表第一埠口31發射出的各頻率，記錄第二埠口32所接收的回波頻率；再量測具有假想破孔於孔徑0.5㎜下，第一埠口31發射出的各頻率，記錄第二埠口32所接收的另一組回波頻率，再將兩曲線相減後得到該下方曲線L4）、上方曲線L5（代表假想破孔之孔徑1㎜）、中間曲線L6（代表假想破孔之孔徑2㎜）。

第4C-1、4C-2圖係屬於該資料庫20之演算完成之一部分，第4C-1圖係模擬於各位置下，假想破孔前後的頻率變化圖；及第4C-2圖係模擬於同位置下，假想破孔前後且不同孔徑的頻率變化圖。於此階段，係建立完成該資料庫22之參考資訊之第一資料之第二態樣。

應可理解地，該資料庫22之參考資訊之第一資料之第一態樣係屬於正常狀態，因而不會產生頻率變化量，故可將第4B圖與表一、表二之內容作為該參考資訊之第一資料之第一態樣之相關資料。

上述資料庫22建構完後，進入現場實際管路量測，藉以找出實際破孔位置與尺寸大小。第4B-1、4B-2圖係實際量測待測管路的結果並且其目的在於擷取頻率變化量(ΔHz)。第4B-1、4B-2圖係屬於目標資訊之第二資料範疇，第4B-1、4B-2圖係正常狀態（破孔前）與變化狀態（有實際破孔）下，同一位置實際量測頻率與聲壓的關係圖，係採用第3圖之方式，於正常狀態（實際破孔前）下進行掃頻會得到一正常曲線B1，而於變化狀態（實際破孔後狀態）下進行掃頻會得到一變化曲線B2，且該正常曲線B1與該變化曲線B2會發生偏移（如第4B-2圖所示之峰值所在處之頻率變化量E1約為5赫茲，正常曲線B1區域波峰為1225赫茲，變化曲線B2區域波峰為1220赫茲），故以特定音頻（如峰值所在處之1225赫茲）偵測時，該正常曲線B1與該變化曲線B2之間會產生音量變化（如第4B-1圖所示之音量變化量H），且以該同一音量變化推估之正常曲線B1與該變化曲線B2之間的頻率變化量E2約為5赫茲（如第4B-2圖所示，在聲壓0.46 dBV的水平線中，正常曲線B1的頻率為1230赫茲，變化曲線B2的頻率為1225赫茲），因而可知兩頻率變化量E1,E2大致相等（即E1≒E2）。因此，該特定音頻（1225赫茲）之頻率變化量E1,E2為5赫茲，並可利用聲波強度來推估頻率變化。第4B-1、4B-2圖係屬於針對待測管路實際量測過程，目的在於取得頻率變化量(ΔHz)。有關決定頻率變化量的方式繁多，並不限於上述，特此述明。

藉由第4B-1、4B-2圖取得待測管路的頻率變化量(ΔHz)關係後(目標資訊之第二資料)，頻率變化量(ΔHz)可整理為第7圖的目標點k圖，各目標點k係實際破孔前後的頻率變化量。開始進行比對作業時，將第4B-1、4B-2圖的頻率變化量(ΔHz)與資料庫22之第4C-1、4C-2圖(第一資料之第二態樣)進行比對。實際比對作業如第7A、7B圖，可藉由目標點k和曲線疊合，找到破孔的位置與尺寸，下方將進行詳述。

如第1、2圖所示，所述之訊號接收器21係設於該第二埠口32上，以接收該共振聲波而獲取一目標資訊，並以人工方式（如自行輸入至電腦主機2a）或自動方式（如第2圖所示之傳輸線2b或如第2’圖所示之無線傳輸）傳遞該目標資訊予該資料庫22，其中，該目標資訊係包含當該目標物件3具有真實缺陷時，該共振聲波之特性之第二資料，且該第二資料係真實量測狀況（如前、後時間點所得之頻率之差值，其基於該訊號接收器21於該第二埠口32所接受的回波頻率），使該第二資料將反映出容置空間S的真實缺陷、實際破孔位置與尺寸。

因此，當該目標資訊之第二資料(對該容置空間S的真實現場量測內容等相關資料)與該參考資訊之第一資料（第一態樣與第二態樣）進行比對作業時，能藉由該假想缺陷或預設真實缺陷之特徵得知該真實缺陷之特徵，其中，該真實缺陷係定義為該目標物件3之本體上之如破洞、破孔、裂縫等連通該容置空間S之非預期開口狀。

經過該資料庫22的建立過程，例如：管路或槽體未破裂前原始的頻率資料，如第3圖（實際量測未有缺陷管路時，駐波音場資料）、第4A圖（藉由模擬方式得到管路頻率資料）及第4B圖（藉由模擬方式得到共振聲波之強度與頻率之關係）所示；以及管路或槽體有實際缺陷或實際破孔的頻率資料，如第4C-1圖（各位置下，模擬假想破孔前後的頻率變化圖）、第4C-2圖（同位置下，模擬假想破孔前後且不同孔徑的頻率變化圖）。

於建立該資料庫22後，將挑選出特定共振音頻，如第5圖所示，當於後續進行實際偵測缺陷之作業時，作業員將特定音頻打入管路或槽體中，音波在管路或槽體內部會形成駐波，並且由該訊號接收器21接收頻率與振幅訊號，以利用簡易演算方式獲取該第二資料（詳如後述）。

於本實施例中，關於選出特定共振音頻之過程中，該參考資訊中之該共振聲波之特性（其來源）係來自於該音源裝置20所提供之複數模擬頻率（如第4B圖所示之0~2000赫茲之頻率）之聲音，且該目標資訊中之該共振聲波之特性（其來源）係來自於該音源裝置20所提供之目標頻寬段t1,t2,t3（如第5圖所示）之聲音，而該目標頻寬段t1,t2,t3係基於該些模擬頻率中之任二者之區間作界定，目標頻寬段t1,t2,t3涵蓋共振頻率f ₁,f ₂,f ₃。具體地，選擇聲壓變化劇烈之處的至少一頻率（如第4B圖所示之曲線中的九個頻率f，頻率f具有區間較高聲壓）作為基準，再以該基準之略高（上限）頻率f ₁’, f ₂’, f ₃’與略低（下限）頻率f ₁”,f ₂”,f ₃”之間的區間作為該目標頻寬段t1,t2,t3，如第5圖所示。

再者，由於該聲壓變化劇烈之處能明顯反映該共振聲波之特性，故選用此處之相鄰處之頻率作為該目標頻寬段t1,t2,t3之範圍，以於該偵測系統2運作時，只需令該音源裝置20發出至少一目標頻寬段t1,t2,t3內之至少一頻率（如第4B圖所示之頻率f或如第5圖所示之頻率f ₁,f ₂,f ₃），即可使該電腦主機2a獲取能有效比對該參考資訊之目標資訊，而無需令該音源裝置20發出該參考資訊內之所有模擬頻率。

第6圖係為本揭露之偵測缺陷之方法之流程圖。於本實施例中，係採用該偵測系統2實際偵測該目標物件3是否具有缺陷及該缺陷之相關特徵。

首先，於步驟S60中，依據第2E圖之管路配置，將該目標物件3e之第一埠口31a上設置該音源裝置20，而於該第二埠口32a上設置該訊號接收器21。應可理解地，所採用之目標物件之態樣並不限於上述。

接著，於步驟S61中，建置該資料庫22之參考資訊。具體地，於步驟S610中，令該音源裝置20將特定音頻之聲音（如第5圖所示之目標頻寬段t1,t2,t3）經由該第一埠口31a輸入該容置空間S中，以產生共振聲波。於步驟S611中，以電腦程式模擬（以數值或理論計算）該訊號接收器21於接收該共振聲波後所產生之訊號，以建立參考資訊，且該參考資訊係包含該共振聲波之特性之第一資料及該目標物件3e形成假想缺陷之位置（或尺寸）之資料，如該管路之最佳偵測特性頻寬變化資料，其中，該假想缺陷之位置（或尺寸）與該第一資料之第二態樣（或該共振聲波之特性）係相互對應，且該第一資料除了包含該目標物件3e於形成該假想缺陷之後（屬於該第二態樣）所模擬出之相關內容，更可包含該目標物件3e於形成該假想缺陷之前（屬於該第一態樣）所模擬出之相關內容。於步驟S611將產出如第3圖（實際量測未有缺陷管路時，駐波音場資料）、第4A圖（藉由模擬方式得到管路頻率資料）及第4B圖（模擬方式得到共振聲波之強度與頻率之關係）所示；以及管路或槽體有假想缺陷或假想破孔的頻率資料，如第4C-1圖（各位置下，模擬方式得到假想破孔前後的頻率變化圖）、第4C-2圖（同位置下，模擬方式得到假想破孔前後且不同孔徑的頻率變化圖），此步驟S611等同該資料庫22建立階段。

於本實施例中，可依據實際掃頻結果（即模擬全域頻寬），篩選特定音頻與音量，以用於該參考資訊，如第4B圖所示之頻率f及0~80分貝之聲量。進一步，可依物件長度或物件型式（如第2A至2E圖所示之目標物件3a-3e）選擇最佳之偵測頻率範圍，如第5圖所示之目標頻寬段t1,t2,t3。

接著，於步驟S62中，當作業員進行定期檢測時，作業員實際偵測該目標物件3e是否具有缺陷。具體地，於步驟S620中，選擇頻率變化較明顯之頻段，即至少一目標頻寬段t1,t2,t3內之至少一頻段（如第4B圖所示之頻率f或如第5圖所示之頻率f ₁,f ₂,f ₃），再於步驟S621中，令該音源裝置20主動發出所選擇之目標頻寬段t1,t2,t3內之頻段（如第4B圖所示之頻率f或如第5圖所示之頻率f ₁,f ₂,f ₃）之聲音，將其經由該第一埠口31a輸入該容置空間S中。

於本實施例中，作業員可依該訊號接收器21能實際偵測到之頻率訊號，選定最佳之發射聲波頻段與能量，如第4B圖所示之頻率f或如第5圖所示之頻率f ₁,f ₂,f ₃之聲音，以令該音源裝置20打入該目標物件3e，使該訊號接收器21接收聲音資料。

之後，於步驟S63中，分析處理該訊號接收器21所接收之聲音資料。具體地，該訊號接收器21於該第二埠口32a接收該共振聲波時會獲取一目標資訊，該目標資訊係包含該共振聲波之特性之第二資料(對待測物的實際量測結果)，以將該訊號接收器21之目標資訊之第二資料與該資料庫22之參考資訊之第一資料進行比對作業，使該第二資料反映出該容置空間S的真實缺陷、實際破孔位置與尺寸。此步驟S63的實施例為藉由第4B-1、4B-2圖取得待測管路的頻率變化量(ΔHz)關係後(目標資訊之第二資料)，頻率變化量(ΔHz)可整理為第7圖的目標點k圖，各目標點k係實際破孔前後的頻率變化量。開始進行比對作業時，將第4B-1、4B-2圖的頻率變化量(ΔHz)與資料庫22之第4C-1、4C-2圖(第一資料之第二態樣)進行比對。實際比對作業如第7A、7B圖，可藉由目標點k和曲線疊合，找到破孔的位置與尺寸。

具體地，若該目標物件3e沒有缺陷時（聲波強度沒有強弱變化），該訊號接收器21於任何時間所接收之接收訊號（頻率）沒有變化。例如，三天前所測得之頻率與今天後所測得之頻率相同，作業員無需進行比對作業。應可理解地，若將此內容傳輸至該資料庫22中，其會大致等同於該資料庫22之參考資訊之第一資料中之該目標物件3e於形成該假想缺陷之前（正常狀態或沒有假想缺陷）所模擬出之相關內容（如第一態樣之內容），即該共振聲波於管路之各位置處未產生頻率變化。

另一方面，若該目標物件3e具有真實缺陷時（聲波強度產生強弱變化及頻率偏移現象如第4B-1、4B-2圖，第4B-1、4B-2圖係待測管路之實際破孔前後量測其頻率變化曲線），當令該音源裝置20將如該目標頻寬段t4內之至少一頻段於該容置空間S時，該訊號接收器21於前後時間點所接收之接收訊號（頻率）會產生變化，此時，將該訊號接收器21所實際偵測到之頻率訊號進行簡易演算，以獲取該目標資訊之第二資料 (目標點k)，如第7圖所示。例如，該訊號接收器21於三天前所偵測得之頻率（如1200赫茲）與今天所偵測得之頻率（如1193.2赫茲）不相同，遂將兩者相減，以獲得一個目標點k（如頻率變化量6.8赫茲），俾供作為該目標資訊之第二資料之內容，再將該內容傳輸至該資料庫22中進行比對，該內容會大致等同於該資料庫22之參考資訊之第一資料中之第二態樣（該目標物件3e於形成該假想缺陷之後所模擬出之相關內容）。因此，藉由該資料庫22之參考資訊之第一資料中之第二態樣所對應之假想缺陷之位置（如第4C-1、7A及7B圖所示之頻率變化圖）及/或尺寸（如第4C-2圖所示之頻率變化圖），可得知此時（今天）該目標物件3e之真實缺陷之位置及/或尺寸，如下關於該參考資訊與該目標資訊之彙整表單所示之定義。

比對項目	訊號源	取得方式	獲取內容	對應資料
參考資訊	模擬該訊號接收器21或進行實際量測	(1)電腦程式演算（步驟S62之建置資料庫22）或(2)對原始管路(未破孔)進行實際量測頻率訊號，以建置資料庫22	(1)第一資料之第一態樣(無對應假想、真實缺陷之特徵)與(2) 第一資料之第二態樣(有對應假想、真實缺陷之特徵）	已知假想缺陷之特徵；及原始管路音頻
目標資訊	訊號接收器21實際量測	對待測管路或槽體，前、後偵測出之數值相減（步驟S63之偵測作業）	第二資料（如目標點k，亦即實際破孔前後的頻率變化量）	待測管路或槽體之實際量測回波頻率

具體地，有關上表之第一資料與第二資料比對過程係如第7A圖所示之頻率變化圖，第7A圖係該資料庫22之參考資訊之第一資料（第二態樣）與該目標資訊之第二資料之目標點k作疊合之關係圖，其顯示該資料庫22之參考資訊之第一資料中之第二態樣之內容（即該目標物件3e於形成該假想缺陷之後所模擬出之第一曲線C1與第二曲線C2），且該第一曲線C1係對應該假想缺陷之位置為70公尺（已知假想缺陷之特徵，第一資料之第二態樣），而該第二曲線C2係對應該假想缺陷之位置為1.5公尺（已知假想缺陷之特徵，第一資料之第二態樣），故當該訊號接收器21之目標資訊之第二資料之目標點k（因該音源裝置20只打入該目標頻寬段t1,t2,t3內之至少一頻率f,f ₁,f ₂,f ₃，故該第二資料不會出現曲線，目標點k係實際破孔前後的頻率變化量，亦即管路正常情況下目標頻寬段t1,t2,t3的回波頻率，減去實際破孔情況下目標頻寬段t1,t2,t3的回波頻率）疊合該第二曲線C2時，則代表該真實缺陷之位置為1.5公尺，即第2E圖所示之缺陷處D1與該第一埠口31a之間的路徑長度為1.5公尺，第二資料之目標點k疊合在第一資料之第二態樣之第二曲線C2上，藉此確定真實缺陷之位置。同理可知，當該訊號接收器21之目標資訊之第二資料之目標點k疊合該第一曲線C1時，如第7B圖所示，則代表該真實缺陷之位置為70公尺，即第2E圖所示之缺陷處D2與該第一埠口31a之間的路徑長度（彎曲路徑長）為70公尺，第二資料之目標點k疊合在第一資料之第二態樣之第一曲線C1上，藉此確定真實缺陷之位置。

應可理解地，若於比對作業中，係以該資料庫22所儲存之第一資料之第二態樣對應該假想缺陷之尺寸（另一種已知假想缺陷之特徵）之模擬內容物作為比對基礎，如第4C-2圖所示，則第二資料之目標點k與第4C-2圖疊合後能得到該真實缺陷之尺寸。

因此，本揭露之偵測方法中，係在該目標物件3,3’,3a-3e（如管路或腔體）內所產生之複數個共振聲波之頻率（以數值模擬或其它方式求出）之附近決定出該目標頻寬段，以令該音源裝置20主動提供較小範圍頻寬段之聲波（依管路之佈設複雜程度及缺陷位置或大小，決定該目標頻寬段之數量），以強化並產生該目標物件3,3’,3a-3e（如管路）之共振聲波之頻率。

再者，該目標頻寬段t1,t2,t3,t4之能量（強度）與頻寬係依各頻率明顯度（如第4B圖所示之分貝變化量大之頻率f）而決定，故該音源裝置20能選擇多個小分貝聲壓之目標頻寬段t1,t2,t3,t4作為輸入聲音，因而能大幅節省該偵測系統2之設備成本，且藉由至少兩種頻率之輸入聲音進行偵測作業，因而能交叉比對（如第7A及7B圖所示之不同目標頻寬段t1,t2,t3,t4經偵測後而簡易演算出之目標點k大致位於同一曲線上）及多重驗證（如第7A及7B圖所示之同一目標頻寬段t1經偵測後而簡易演算出之四個目標點k均位於同一曲線上）偵測的可靠性以提高偵測準確度（如位置判斷誤差約±5公尺以下），因而能減少路面開挖之面積（如判斷誤差低及使用單一訊號接收器）。應可理解，該參考資訊之模擬資料越多，該比對作業之偵測準確度越好。

又，作業員利用該參考資訊之第一資料之第二態樣（如共振聲波之頻率或音量變化）與該假想缺陷之特徵之關係（以數值模擬或其它方式求出之曲線圖），以推測出該目標資訊之第二資料所對應之真實缺陷之特徵（如破孔之位置及/或尺寸）。

另外，由於管路佈設之現場通常會長期使用，因而需定期檢測，故可將同一區域之管路之偵測結果（含誤差值）彙整為歷史紀錄，例如將該目標資訊之第二資料之內容物（如目標點k）及其對應之真實缺陷之特徵進行彙整，以作為該參考資訊之第一資料之第二態樣（即歷史紀錄），使日後進行偵測時，可參考該歷史紀錄進行比對作業（即點對點之疊合），以更準確推測判斷該真實缺陷之特徵。

綜上所述，本揭露之偵測系統及偵測方法，係藉由主動將該音源裝置之目標頻寬段之聲音導入該目標物件內，以於該空置空間中之水、空氣（或其他流體）中形成聲場駐波而形成共振聲波，因而當共振頻率改變時，即可判斷缺陷發生，並可利用如頻率變化量型態之第一資料判斷該真實缺陷之位置及/或尺寸，故不僅能節省能源、降低軟體複雜度及減少設備成本（如採用低分貝音源及單一訊號接收器），且能大幅提高偵測缺陷之能力。

上述實施例係用以例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修改。因此本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。

1‧‧‧聲音發射器 1a,21‧‧‧訊號接收器 10‧‧‧管路 2‧‧‧偵測系統 2a‧‧‧電腦主機 2b‧‧‧傳輸線 20‧‧‧音源裝置 22‧‧‧資料庫 3,3’,3a-3e‧‧‧目標物件 31,31a‧‧‧第一埠口 32,32a‧‧‧第二埠口 A‧‧‧波峰所在處 B1‧‧‧正常曲線 B2‧‧‧變化曲線 C1‧‧‧第一曲線 C2‧‧‧第二曲線 D1,D2‧‧‧缺陷處 E1,E2‧‧‧頻率變化量 f,f₁,f₂,f₃‧‧‧頻率 f₁’,f₂’,f₃’‧‧‧上限頻率 f₁”,f₂”,f₃”‧‧‧下限頻率 H‧‧‧音量變化量 k‧‧‧目標點 L‧‧‧斜線 L1‧‧‧虛線 L2‧‧‧實線 L3‧‧‧節點線 L4‧‧‧下方曲線 L5‧‧‧上方曲線 L6‧‧‧中間曲線 P‧‧‧落點 S‧‧‧容置空間 t1,t2,t3,t4‧‧‧目標頻寬段 θ‧‧‧夾角 S60~S63‧‧‧步驟

第1圖係為本揭露之偵測系統之設備配置示意圖。

第2圖係為第1圖之目標物件之另一態樣。

第2A至2E圖係為第2圖之目標物件之其它不同態樣之上視平面圖。

第3圖係為本揭露之偵測系統之音源裝置所產生之聲波擷取圖。

第4A圖係為本揭露之偵測系統之資料庫之建置過程之選擇模擬程式之方式。

第4B圖係為本揭露之偵測系統之資料庫之建置過程。

第4B-1至4B-2圖係為本揭露之對待測管體之頻率資料擷取結果。

第4C-1圖係為本揭露之偵測系統之資料庫之參考資訊之第一資料之第二態樣之顯示方式。

第4C-2圖係為第4C-1圖之另一形式。

第5圖係為本揭露之偵測系統於實際偵測時選擇所用之目標頻寬段之示意圖。

第6圖係為本揭露之偵測方法之流程示意圖。

第7圖係為本揭露之偵測方法之目標資訊之顯示方式。

第7A圖係為本揭露之偵測方法於比對作業後所得之比對結果之曲線示意圖。

第7B圖係為第7A圖之另一態樣。

2‧‧‧偵測系統

2a‧‧‧電腦主機

2b‧‧‧傳輸線

20‧‧‧音源裝置

21‧‧‧訊號接收器

22‧‧‧資料庫

3‧‧‧目標物件

31‧‧‧第一埠口

32‧‧‧第二埠口

S‧‧‧容置空間

Claims

一種偵測系統，係用於偵測目標物件之缺陷，且該目標物件具有容置空間、連通該容置空間之第一埠口及第二埠口，該偵測系統包括：音源裝置，係設於該第一埠口上，以提供聲音經由該第一埠口輸入該容置空間中而產生共振聲波；訊號接收器，係設於該第二埠口上；以及資料庫，係儲存參考資訊，該參考資訊係來自於模擬該訊號接收器於接收該共振聲波後所產生之訊號，且該參考資訊係包含該共振聲波之特性之第一資料及該目標物件形成假想缺陷之特徵之資料，其中，該假想缺陷之特徵與該共振聲波之特性係相互對應；其中，該訊號接收器係用以接收該共振聲波而獲取一目標資訊，並傳遞該目標資訊予該資料庫，且該目標資訊係包含該共振聲波於該目標物件具有真實缺陷時之特性之第二資料，俾透過該目標資訊與該參考資訊之比對，以由該第一資料所對應之假想缺陷之特徵得知該第二資料所對應之真實缺陷之特徵。
如申請專利範圍第1項所述之偵測系統，其中，該目標物件之容置空間係容置氣體或流體。
如申請專利範圍第1項所述之偵測系統，其中，該音源裝置係提供不同頻率之聲音。
如申請專利範圍第1項所述之偵測系統，其中，該音源裝置係提供不同音量之聲音。
如申請專利範圍第1項所述之偵測系統，其中，該共振聲波於該容置空間中係呈駐波狀態。
如申請專利範圍第1項所述之偵測系統，其中，該共振聲波之特性係為頻率變化量或強度。
如申請專利範圍第1項所述之偵測系統，其中，該參考資訊中之該共振聲波之特性係來自該音源裝置所提供之複數模擬頻率之聲音，且該目標資訊中之該共振聲波之特性係來自該音源裝置所提供之目標頻寬段之聲音，而該目標頻寬段之範圍係為該複數模擬頻率中之任二者之區間。
如申請專利範圍第1項所述之偵測系統，其中，該參考資訊係以電腦程式方式模擬而得者或以機構配置方式模擬而得者。
如申請專利範圍第1項所述之偵測系統，其中，該目標資訊之第二資料係為該訊號接收器於前、後時間點所偵測得之頻率之差值。
如申請專利範圍第1項所述之偵測系統，其中，該假想缺陷之特徵係為位置及/或尺寸，以於進行該比對作業時，所得知該真實缺陷之特徵係為位置及/或尺寸。
一種偵測方法，係包括：提供一具有容置空間之目標物件，其中，該目標物件具有連通該容置空間之第一埠口與第二埠口，並於該第一埠口上配置音源裝置及於該第二埠口上配置訊號接收器；令該音源裝置將聲音經由該第一埠口輸入該容置空間中，以產生共振聲波；模擬該訊號接收器於接收該共振聲波後所產生之訊號，以作為參考資訊，其中，該參考資訊係包含該共振聲波之特性之第一資料及該目標物件形成假想缺陷之特徵之資料，且該假想缺陷之特徵與該共振聲波之特性係相互對應；當該目標物件產生真實缺陷時，該訊號接收器於該第二埠口接收該共振聲波時會獲取一目標資訊，其中，該目標資訊係包含該共振聲波於該目標物件產生該真實缺陷時之特性之第二資料；以及將該目標資訊與該參考資訊進行比對作業，以藉由該第一資料所對應之假想缺陷之特徵得知該第二資料所對應之真實缺陷之特徵。
如申請專利範圍第11項所述之偵測方法，其中，該共振聲波於該容置空間中係呈駐波狀態。
如申請專利範圍第11項所述之偵測方法，其中，該第一資料係來自該音源裝置所提供之複數模擬頻率之聲音，且該第二資料係來自該音源裝置所提供之目標頻寬段之聲音，而該目標頻寬段之範圍係為該複數模擬頻率中之任二者之區間。
如申請專利範圍第11項所述之偵測方法，其中，該假想缺陷之特徵係為位置及/或尺寸，以於進行該比對作業時，所得知該真實缺陷之特徵係為位置及/或尺寸。