地下水管漏水点的快速定位

罗志环，吴思明，潘丽军，严 楚，彭林总，李晓强

（华南农业大学 理学院，广东 广州 510642）

1 引言

随着社会经济的发展，城市化的进程加快，城市的供水网络的要求越来越高，管道的网络也趋于复杂化.复杂多变的外界条件，使得自来水管的破裂时有发生，给社会生产和人们生活带来很大的负面影响，还严重的浪费了水资源.快速定位爆裂点，有助于抢修工作的开展，从而最大程度上减少各方面的负面影响.根据检测的对象的不同，地下管道漏水的探测方法可分为非声音检测法和声音检测法.声音检测法的技术更为成熟，发展更快.本文采用声振法来定位自来水管漏点的位置.

2 原理

2.1 声振法的基本原理

供水管都有一定的水压，当水管爆裂时会使管中的水撞击管壁和埋藏的土质或沙石等介质，并造成一定的噪声，而且其声音传播有一定的特点[1].一般而言，声波在土壤等介质中传播时，距离振源越近，其强度（能量）越大；距离震源越远则强度越小.因此，理论上来说，在垂直漏水点的地表处，我们应该能接收到最强的声音信号，而随着探测端离漏水点的距离逐渐越大，其接收到的声音信号应逐渐变弱.（见图1）.

图1 漏水信号的分布特点

而对于水管内水压的高低，也会对漏点的振动能量有一定的影响，水压越高，引起的振动越大，水压低时，振动微弱甚至消失.此外，漏点附近的三通或拐弯处都有一定的影响.

2.2 驻极体传声器

驻极体话筒[2]由声电转换和阻抗变换两部分组成.声电转换的关键元件是驻极体振动膜.它是一片极薄的塑料膜片，在其中一面蒸发上一层纯金薄膜.然后再经过高压电场驻极后，两面分别驻有异性电荷.膜片的蒸金面向外，与金属外壳相连通.膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开.这样，蒸金膜与金属极板之间就形成一个电容.当驻极体膜片遇到声波振动时，引起电容两端的电场发生变化，从而产生了随声波变化而变化的交变电压.

驻极体传声器中的高分子极化膜上生产时就注入了一定的永久电荷(Q)，由于没有放电回路，这个电荷量是不变的，在声波的作用下，极化膜随着声音震动，因此和背极的距离也跟着变化，也就是锁极化膜和背极间的电容是随声波变化.

2.3 峰值检测

峰值检测电路（PKD，Peak Detector）[3,4]的作用是对输入信号的峰值进行提取，产生输出Vo=Vpeak，为了实现这样的目标，电路输出值会一直保持，直到一个新的更大的峰值出现或电路复位.

图2

3 结果及分析

为了验证我们的方案，在测试环境中，我们定义了一个距离水管50cm并与水管平行的坐标轴，坐标轴的原点正对着漏水点.探头（驻极体传声器）沿着坐标轴移动，寻找声强最大的位置，并把相应的坐标读数（绝对值）记录下来.我们一共测量了11组数据，见表1.有表中数据可以看出，测量出来的漏水点位置基本上绕着坐标原点波动，说明了我们的方案是可行的.我们测量的漏水点坐标平均值是d=18.38cm，标准差为σ=7.93cm.如果测量次数更多，我们的统计结果会更好.

图3

由此可见，对于本方案是行之有效的.但我们还需要考虑一些不确定因素：

（1）漏点产生的声音信号在不同的介质中传播或反射过程中，会有许多与泄漏无关的其他声音信号对原信号的干扰，这样常会造成所需信号波形的失真甚至无法接收到原信号.

（2）水管所埋的介质环境对声音信号的影响也很大，此外水管的材质、口径、水压及埋藏深度都会有一定的影响.

（3）管道会有三通、拐弯、阀门等因素引发的声音振动信号，加上管道中正常过水可能会引发管道上某些点共振等现象，而这个共振所发出的声响可能会比实际漏水点的声响更强.

表1 漏水点测量

（4）检验设备的灵敏度、频率特性等因素都有影响.

4 总结

我们采用传统声振法来实现地下自来水管爆裂处的定位.测量数据表明，我们的方案具有实用价值，并有如下优点：

（1）方法简便，易于掌握操作方法，检测人员无需具备丰富的检漏实际经验也可确定漏水点.

（2）投入成本较低，性价比高.

（3）对环境的要求不高.一般仪器都是选择在夜深人静的时候进行，而我们仪器测量条件则不用如此苛刻.

〔1〕杨进、文玉梅、李平.自来水铸铁管道泄漏声信号频率特征研究[J].应用声学,2006，25（1）.

〔2〕Tom Petruzzellis.传感器电子制作[M].北京:科学出版社，2007.

〔3〕康华光.电子技术基础（模拟部分）（5 版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

〔4〕蒋立平.数字逻辑电路与系统设计[M].北京：电子工业出版社，2008.