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" P) F3 g( |% R) L1 L& F z 漏水检测中的干扰噪声及其控制 8 z x1 p6 a( d- J0 Q4 P
Noise Interference and Its Control in Water Leakage Detection ! T5 k' N" C1 q8 z. O& r
作者：陈博 " y" W4 O" k# ?- W7 o
河南力科管线探测技术有限公司河南省郑州市450000
1 ~0 K a) w, n3 U9 e 摘要：供水管道发生泄漏时会产生噪声，该噪声会沿着管道向两侧传播或沿介质传播到地面，地面拾音检测是漏水检测重要手段，就是通过仪器从地面拾取这种漏水声音从而判断漏水点的准确位置。在检测过程中会遇到各种干扰噪声，譬如：风声、车辆行人行驶噪声、电器运行噪声、流水落差噪声，空气中传播的环境噪声。这些噪声会严重干扰检测工作，特别是在漏量较小、管道埋深较深的漏水情况，地面拾音检测甚至无法进行。本文阐述会影响漏水检测的若干干扰噪声类型及其控制方法。
6 t/ K8 x; u$ p. r Abstract: Water supply system leakage enable to produce noise， the noise spread out two sides of the pipe or diffuse to the ground along the medium，it is an important way to detect water leakage by ground adapterization detection， which estimating the pinpoint of water leakage from collecting detection by instrument. Various types of interference noises are occurred in the detection processes, such as: wind, traffic noises, electric noise, water drop noise and airborne environmental noise transmitted in the air. These noises will seriously interfere with the detection work, especially in the case of water leakage with small leakage volume and deep buried pipeline. This will result in the inability to perform ground pickup detection. This paper describes several types of interference noise, which can affect water leakage, and some relevant control methods. 0 r# x7 w& G+ P Y( f
关键词：漏水检测；声学检测；噪声干扰；噪声控制；降噪
4 t- F( e1 N0 U W/ p Y 1、引言：
( _3 i5 P6 P" ?! | 供水管道犹如城市的血管，源源不断的为城市的每个角落输送着生命之源。供水管道长期埋设于地下，由于管道老化，地质变动，气温起伏，环境腐蚀，外界压力等原因，会造成地下管线泄漏现象。由于管道深埋地下，多数情况漏水位置难以判断，为了节约水资源，降低供水成本，漏水检测便应运而生。 8 J+ {0 C$ N" A2 F e9 R
漏水检测指通过各种检测技术准确判断漏水位置，地面拾音检测是最为常用的漏水检测技术。主要仪器是探知机，它的设计借鉴医学仪器的原理，利用高灵敏声电换能器——探头，拾取经由地下介质传播到地面的漏水时,高压水流摩擦管道、冲击土壤所形成的流体动力噪声，转换成电信号经过主机的滤波电路、增益电路处理，最终耳机将处理后的信号以声波的形式输出给检测人员，从而判断漏水位置。这一技术以其简单、准确、高效的特点被广泛应用于漏水检测工作中。
) ~. K$ H. N0 d" Q 一名经验丰富的检测人员利用地面拾音检测技术在安静的环境下甚至仅用十多秒的时间就能将漏点确定，但事实证明那只是个美妙的特例，多数情况检测过程要持续几十分钟，几小时，甚至更久，主要原因在于检测工作中往往会遇到各种噪声的干扰。这里引入一个通信领域的术语，信噪比SNR（SIGNAL-NOISE RATIO)，它是指一个电子设备或者电子系统中信号与噪声的比例。借用到漏水检测过程中就是漏水噪声与环境噪声的比例，信噪比越高，漏水噪声越明显；信噪比越低，漏水噪声越模糊，甚至会被环境噪声淹没。 - w% V, O- q& w, r
检测过程中常见的噪声有以下几类：非稳态噪声，发生随机，强度大，如交通噪声、施工噪声、风声等；稳态噪声，影响持续，频率固定，如机械噪声、水流落差声等；空气传播的噪声，多发于闹市、人流相对密集的区域；无线电信号干扰，强无线电发射设备附近容易受到影响。本文将围绕以上四类噪声展开讨论，对噪声成因、影响、控制进行探究。
% O( k! b+ W3 Q' }. F7 k' X 2、非稳态噪声 : ^' }7 H; V) ~4 z0 \0 C/ j& |
案例1：西三环长江路北DN200铸铁管漏水
; D& B) Z! O: j9 [- M. |1 m0 b6 r 漏水位于西三环西侧快车道，怀疑该区域内一根DN200铸铁管漏水，西三环是市内建筑垃圾外运的主要道路，即使在夜间，过往渣土车也络绎不绝，沉重的渣土车高速行驶中发出的巨大噪声能影响到百米以外检测工作，地面拾音检测只能在车辆过往的间歇进行，此次检测工作从凌晨一点持续到凌晨五点，近四个小时才将漏点最终确定。
" o+ C. q7 X' ?7 F& E7 ^ 案例2：二马路DN100铸铁管漏水
& @5 d l3 m; q3 L( R; S 该处漏水在二马路南段慢车道处，由于南邻火车站出入口，人流量相当大，而且很多旅客携带行李箱，行李箱在地上拖拉时发出的噪声在平时听来并不大，但由于行李箱轮子质地较硬，拖行时与粗糙的地面发生摩擦、碰撞所形成的噪声，对于地面拾音检测来说简直是如雷贯耳。本来检测难度并不大的一处漏水，最后只能经过钻探作业接触管体才最终确定漏点。 6 w- U6 M" N& d# y
非稳态噪声是最为常见的干扰噪声类型，它是指噪声强度随时间而有起伏波动（声压变化大于3dB）。除上面影响较大的两个例子外, 有的呈周期性噪声，如锤击, 施工噪声；有的呈无规律的起伏噪声，如交通噪声、风声等均能对检测带来诸多不便。由于噪声源不一，噪声频率多样，传统探知机滤波功能并不能过滤这种噪声。
; p$ j" y3 Z" o8 L, O! o 非稳态噪声的特点是发生时间不可预测，持续时间短，噪音强度大，下图A-1为一组噪声的波形图，横坐标为时间，纵坐标为振幅，可以看到很多持续时间非常短，振幅很大的波形，这些就是非稳态噪声。 4 v6 J% }0 `1 ^6 U0 V
图A-1 未经处理噪声波形图
6 F/ k7 w6 g: t0 v( E/ T# v 由于非稳态噪声发生是瞬时的，随机的，声强在很短时间迅速升高到很大的程度，而漏水噪声是持续的，不具备声强剧烈变化的特点，本文利用它们的这些差异，探讨使用限幅电路抑制这种噪声。探知机的探头为一个声电换能器，以应用广泛的压电陶瓷换能器为例，通过探头接触地面感应振动，压电陶瓷片将机械能转化为电能，从而把地面震动的振幅和频率的数据转化为电信号的电压和频率数值传送给探知机主机，振幅与电压呈正相关。在探头输出端加上一个限幅电路，设定一个门限，使高于门限电压的信号增益为零，低于门限电压的信号增益正常，如果能把门限值控制在漏水噪声引起地面震动振幅的上限，就能有效滤除非稳态噪声。 0 l# S) N) b9 O
门限值的设定可以采用手动和自适应两种模式：手动设置需要检测人员在检测过程中手动调节门限值，使之既不影响探测漏水噪声，又能最大限度的过滤非稳态噪声。自适应方式需要在相对安静时监测一个小的时间单位探头输出电压的最小值，并把该数值作为此次探测限幅电路的门限值，再进行路面听音探测，下一个路面听音点需要重复该过程。两种模式各有利弊，手动模式要经过多点反复调节找到适当门限值后，可以对该区域进行连续路面听音检测，但由于漏水噪声在各个地面检测点有不同的振幅，过滤范围不会太准确；自适应模式因为每次探测都需要校准门限值，准确的过滤门限会有更好的检测效果，但校准过程势必会带来一定的延时。图A-2为经过限幅电路处理的噪声波形图。 9 f) c! b2 D T, j6 R% J
图A-2 经限幅电路处理的噪声波形图
# ]/ p) J! J1 D) @ 不过令人遗憾的是，限幅电路仅可以过滤门限值以上的非稳态噪声，减小它带来的不适，使之变得柔和，在门限以下还会残留微弱的脉冲噪声，并不能把这种噪声完全消除。
3 X0 Y6 T& y5 T 3、稳态噪声 5 l) U; a, B1 @8 Q
案例1：香山路开元路东北角DN100铸铁管漏水
. L, b/ ~6 @# E6 z, ^" c 漏水位于一单位园区后门口，东西走向的给水管北侧1米处有一台变电箱，整个漏水区域的地面上均能检测到变电箱发出的“嗡嗡”声。特别是在靠近箱体的区域，干扰噪声已经大到盖过了漏水噪声，经过多次改变滤波情况有所改善，但仍然严重影响检测工作。
3 P0 V0 W$ n3 r* R 案例2：天赋路逸水湾小区De225塑料管漏水
8 w% N: X* C1 |% M 漏水位于该小区西侧围墙边，一墙之隔是一处地铁工地，工地上的各种大型机械发出持续的轰鸣声，漏水的是该小区一根De225塑料给水主管道，且埋深达两米，通过多次调节地面拾音滤波频率仍然无从检测。
% z$ W' C% b! g/ m+ r+ r. f 此类稳态噪声还有水泵噪声、空调噪声、机房噪声、附近管道噪声。通常采取的降噪方式是改变滤波，把干扰噪声所处的频段过滤掉，对于固定滤波频率的探知机这几乎是不可能的。即使是对可管理滤波频率的探知机来说，准确找到需要过滤的干扰频段也并不是一件容易的事。对于例2中所遇到的情况，干扰噪声来自工地上的不同机器，它们所发出的噪声并不是同一频率，要想把它们全部过滤掉，传统探知机就鞭长莫及了。
9 s- |& `0 B* K- y+ M M$ ? 传统探知机滤波功能通常以漏水噪声作为滤波考量对象，采用高通滤波、低通滤波、带通滤波方式滤除干扰噪声，本文探讨将噪音源作为考量对象使用自适应带阻滤波器解决该类问题，带阻滤波器（band stop filters， BSF）与带通滤波器的概念相对，是指能通过大多数频率分量，但将阻带范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器。通过探知机远离漏水区域，靠近噪音源来拾取干扰噪声，通过频率分析电路记录噪声频率分布，作为带阻滤波器的抑制带宽参数，从而将干扰噪声滤除。如遇到多个噪声源可采用多次拾取噪声源频率多重滤波的形式。
8 A9 _, l% K8 J$ g6 U 4、空气传播的噪声 5 R$ a% d H L
案例：纬四路花园路东南角市场内DN100铸铁管漏水 + |) D6 u- m3 @, i% q! V) j
该漏水位于纬四路花园路东南角市场内小吃街，漏水量非常大，需要立即定位漏水点进行维修，时值中午，小吃街上食客摩肩接踵、熙熙攘攘，各种摊贩叫卖声，喊闹声充斥在狭窄的街道上，加上管道破口较大，噪声不明显，地面拾音检测过程中音量增益开到最大也无法在如此喧闹的环境中检测到理想的漏水噪声。 5 A/ D: U- L7 ^) F
有些漏水发生在闹市区、商业区、车站附近，这里行人车辆众多，沿街摊贩嘈杂，检测过程中遇到的噪声除了来自地面，还有很大部分来自空气传播的噪声。降低这类噪声的传统方法是借助全包围式耳机的耳杯和隔音棉，通过声波在疏松和空腔介质中衰减严重的特性，经过全包围耳机的反射和吸收作用，可以降低部分噪声，如图B-1,但对于上述场合，传统降噪手段显然有些力不从心，很多发生在这些地方的危害较小的漏水，只能将检测工作的时间安排在深夜。 ) D' `6 h+ M+ M2 [1 |; W
图B-1 传统耳机降噪波形图
# Q7 F) N3 W% H& j$ u 相较传统被动降噪技术而言，近些年已经逐渐平民化的主动降噪技术（Active Noise Control，ANC）使人眼前一亮。1989年首款商用 Acoustic Noise Cancelling 耳机推出，可提供高效降噪效果和通信质量，变革了飞行员的飞行体验。经过近三十年的发展，主动降噪技术日益成熟，如今的各大耳机厂商和车载音响提供商均有相应的ANC产品，笔者有幸接触过一款某品牌主动降噪头戴耳机，当时在喧闹的商场，打开耳机上的主动降噪功能，整个世界都安静了。 + N7 T* L1 w K) H3 G. V
主动降噪又叫有源消声，不同于传统被动降噪将噪声反射、吸收消极防御的模式，而是采用“以毒攻毒”的主动出击模式。所有的声音都由一定的频谱组成，如果可以找到一种声音，其频谱与所要消除的噪声完全一样，只是相位刚好相差180°就可以将这噪声完全抵消掉。假设噪音为一个波形为正弦曲线的简谐波，有以下B-2所示：
i/ `8 H8 N4 h0 c6 i: D 图B-2 主动降噪耳机降噪波形图
* U6 a. K* z% O 可以看到，噪声监测麦克风拾取了噪声的波形，并传输给降噪芯片，通过计算，耳机内侧的降噪扬声器发出一个与噪声振幅相等，频率相等，相位相差180°的声波，通过和噪声的叠加，产生了振幅为零的新的波形，对于人耳来说，就像按下了“静音键”。
/ E( W- F1 }# d3 E$ a9 B) ^0 K. S2 W 5、无线电信号干扰
) H# c2 h- ^% `9 u 案例：鑫苑路经三路东De315塑料漏水
2 b" |* m1 q7 X& w3 D+ u 此处漏水位于道路北侧慢车道，白天的道路干扰噪声本来就比较大，又由于距离广播电台较近（直线距离约1公里），附近还有一处大型酒店，地面拾音检测过程中能清晰听到广播和酒店无线电对讲机的声音，对检测工作成了一定的影响。 9 ?: t% g- i5 k7 C; Y
该类型噪声多见于城市广播电台或无线发射设备附近区域，高频电磁波信号在传播过程中被探知机耳机线缆横切，在线缆中形成高频电流，从而直接在耳机中形成噪声，由于噪声产生于耳机线缆，探知机无法过滤这类噪声。
9 n8 Y/ r- g l* q 解决这种噪声问题我们可以借鉴网络综合布线技术中的屏蔽双绞线(Shielded Twisted Pair，STP)技术，该技术要求在传输数据的线芯与外层绝缘封套之间包裹一层连续的金属屏蔽层（铝箔或编制铜网），再用正确的方法将屏蔽层接地。该技术初衷在于屏蔽线缆向外辐射电磁信号，从而防止传输的信息被窃听，而这层金属屏蔽层同样能屏蔽外部电磁信号对内部线缆的干扰。根据楞次定律，线缆在横切电磁波磁场的时候，会在金属屏蔽层形成一个感应电流，感应电流具有这样的方向，即感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化，简而言之，屏蔽层上形成的感应电流会形成一个与外部电磁波磁场大小相等，方向相反的磁场（不考虑热交换，辐射等损耗），通过叠加效应，在屏蔽层内部削弱或抵消掉了外部电磁波磁场的干扰，再通过探知机探头端将金属屏蔽层接地，金属屏蔽层使内部达到静电平衡，形成全屏蔽，不受外部电场和磁场干扰，更加保护了探知机内部信号的传输。 $ ~5 Y& G, X: I# C
自来水管网如同城市的生命线，自从有了自来水，管道漏水便如影随形。自来水并非自来，是需要投入大量的人力、物力生产而来，对于淡水资源严重匮乏的郑州更是弥足珍贵。漏水不仅会带来巨大的经济损失，还会引发次生灾害危及公共安全，甚至造成人员伤亡。漏水检测一直与漏水做着艰苦卓绝的斗争，从最初的机械式听音棒到各类探知机，再到相关检漏仪、红外扫描检漏仪、地探雷达、多探头管网信息监控系统、示踪元素追踪探测，检测工作者和科研人员栉风沐雨，砥砺前行，实现了一次又一次的突破。 : |; M) _) I* R
成就是可喜的，但现实是残酷的，实际情况并不容乐观。漏水检测中依然存在大量现有仪器和技术无法逾越的难题，非金属管道探测问题，微小渗漏检测问题，管件共振影响和驻波影响问题，非均匀介质噪声衰减率问题，介质边缘导波影响问题。而更可怕的问题在思维方式上，我们对侨居百年的“赛先生”仍心存芥蒂。 $ k0 w% Z8 t6 o7 q+ M% I
作为漏水检测工作者的一员，笔者深知检测道路艰难且曲折，研究探索任重而道远，无奈才薄智浅，怠惰因循，仅从漏水检测工作中的声学检测角度入手，提出了一些不成熟的见解，并未能将一孔之见通过实验进行验证，只是坐而论道，纸上谈兵，权且用作抛砖引玉。
: V* h" b, Q0 N1 o; G* m: s% W! z 最后，真诚感谢对本文创作提供帮助、指导的各位老师、同事和朋友。 4 G* ~0 O9 L! [2 x# V/ k! O
参考文献：
0 _: H. X1 s* F$ {+ s' c& y [1] 马大猷 现代声学理论基础[M] . 科学出版社, 2004-03 $ Z$ ~: @! o0 R8 C- K& d! h
[2] 杜功焕 朱哲民 龚秀芬 声学基础[M] . 南京大学, 2012-05（3） 3 P% s* ~8 S# d5 z1 H3 a( {8 \
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