[发明专利]一种基于低频声压信号分析的U型管堵塞状态评估方法

说明书

本发明公开了一种基于低频声压信号分析的U型管堵塞状态评估方法，属于管道堵塞故障诊断领域。本发明先利用低频声压信号采集装置获得U型管的声压脉冲响应信号，然后对低频声压信号进行变分模态分解，根据分量幅值谱图确定变分模态分解的最佳模态分解数K并通过声压级变换筛选有效的IMF分量；然后提取有效IMF分量的多尺度熵特征，构建反映U型管不同程度堵塞状态的特征向量，最后将特征向量用于连续隐马尔科夫模型训练，建立能对U型管堵塞状态进行评估的模型。本发明提出的方法可以识别U管道中不同程度的堵塞状态，并提高了识别结果的准确性。

技术领域

本发明涉及一种基于低频声压信号分析的U型管堵塞状态评估系统，属于管道故障诊断领域。

背景技术

管道运输广泛用于我们的生产和生活，从日常生活的供排水，化工原料、矿物以及石油天然气的输送到农田的灌溉。随着城市化进程，服务于我们城镇和城市的地下公用排水管道网络成为了基础设施最重要的组成部分之一。排水管道随着使用年限的增加，极容易发生堵塞故障。目前，研究的管道主要集中在常规管道(直管，带配件、旁支的直管)，而特殊型管道(U型管，横截面突变型管道，斜管)现阶段研究较少。在管道系统中，正是这些特殊结构的管道扮演着不可替代的角色，被用来满足其行业特定的需求，而U型管的结构是为了在深层障碍物下方输送水流或者绕开建筑物。由于U型管的特殊结构以及排水管道的低压状态，液体中的杂质和外部物体极易在底部管道表面区域逐渐积聚。堵塞始于管道表面堆积的小幅增长，前期容易被忽略，随着堵塞面积不断扩大，液体流动的流量将会减少甚至停止流动，这将导致运输效率低下，同时管道中的部分堵塞会在整个系统中引入相关的能量消耗。管道堵塞故障的检测在实际应用中主要还是事后检测，方法上存在开挖损伤，依赖人工操作，劳民伤财等主要问题；在研究领域管道堵塞常用的检测方法有振动分析、脉冲回波分析、声反射、阻抗方法等，上述方法存在操作繁杂、易受到环境限制以及设备昂贵等缺点。声信号在管道中衰减低，不需要破坏管道及其环境，声波在管道中不易受管道运行状况的影响且携带丰富的关于管道状态及内部运行的信息，检测方法简单且成本低廉，因此利用声信号监控管道运行状况最近已成为了应用的焦点。

发明内容

为了解决U型管堵塞检测过程中管道不同程度堵塞程难以区分的问题，本发明提供了一种基于低频声压信号分析的U型管堵塞状态评估方法。

本发明的技术方案是：一种基于低频声压信号分析的U型管堵塞状态评估系统，所述方法具体步骤如下：

Step1、利用低频声压信号采集装置对不同堵塞状态的U型管进行检测，获得U型管的低频声压信号；

低频声压信号采集装置包括第一伸缩杆、第二伸缩杆、功率放大器、水下扬声器、水听器、滤波器和PC机，所述第一伸缩杆的底部固定有水下扬声器，水下扬声器通过第一伸缩杆内置的导线连接至功率放大器，功率放大器与PC机相连；所述第二伸缩杆的底部固定有水听器，水听器通过第二伸缩杆内置的导线连接至滤波器，滤波器与PC机相连。

将第一伸缩杆和第二伸缩杆分别伸入至U型管两侧管道内的底部，安装有 WinMLS软件的PC机控制声卡产生声学信号，通过功率放大器放大后再经过第一伸缩杆底部的水下扬声器释放正弦扫频信号到不同堵塞状态的U型管中，第二伸缩杆底部的水听器上接收到信号再经过滤波器去除不需要的低频机械噪音， PC机对滤波后的信号进行去卷积，以高信噪比获得U型管的声压脉冲响应信号。

其中不同堵塞状态的U型管通过将1个到8个不同数量的砂袋沉积到U型管底部来模拟实现。

Step2、分别对Step1中获得的不同堵塞状态的U型管的低频声压信号进行变分模态分解(Variational mode decomposition,VMD)，分解后得到不同频段的的 IMF分量；

Step3、根据分量幅值谱图确定最佳模态分量数K，并通过声压变换从分解出的IMF分量中选取有效IMF分量；