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供水管网泄漏检测定位中的信号处理研究：理论、方法与应用

一、研究背景与技术现状

（一）供水管网泄漏检测的现实需求

在城市化进程持续推进的当下，城市供水管网已然成为保障城市正常运转和居民生活用水的关键基础设施。然而，由于供水管网长期深埋地下，运行环境极为复杂，受到诸如管道腐蚀、地质沉降、外部施工干扰等多种因素的影响，泄漏事故频繁发生。据相关统计数据显示，我国部分城市的供水管网漏损率长期居高不下，部分老旧城区的漏损率甚至超过20%，这无疑造成了大量水资源的浪费，加剧了城市水资源短缺的严峻形势。

与此同时，供水管网泄漏还会引发一系列安全隐患。例如，泄漏可能导致地面塌陷，对城市道路、建筑物等基础设施的安全构成严重威胁；若泄漏处周边存在污水管道，还可能引发污水倒灌，进而污染供水水质，对居民的饮用水安全造成直接危害。

传统的供水管网泄漏检测方法主要依赖人工巡查，检测人员凭借经验和简单工具，如听漏棒、电子听漏仪等，沿着管道进行逐段检测。这种方法不仅效率低下，难以满足大面积、复杂管网的检测需求，而且检测精度严重依赖检测人员的专业水平和工作经验，容易出现漏检和误检的情况。在面对深埋地下、隐蔽性强的管道泄漏时，传统检测方法更是显得力不从心。

基于声信号处理的泄漏检测技术，作为一种新兴的检测手段，近年来得到了广泛的研究和应用。该技术利用泄漏点产生的声信号，通过对声信号的采集、传输、分析和处理，实现对泄漏点的定位和检测。相较于传统检测方法，基于声信号处理的检测技术具有非接触式检测、检测速度快、可实现自动化和智能化检测等显著优势，能够有效克服传统方法的局限性，因而逐渐成为供水管网泄漏检测领域的研究热点和发展方向。

然而，实际的供水管网拓扑结构极为复杂，存在众多分支和节点，不同管段的管径、材质和埋设深度差异较大，这些因素使得泄漏声信号在传播过程中会发生复杂的反射、折射和衰减现象，严重影响了声信号的传播特性和检测效果。此外，城市环境中的噪声干扰，如交通噪声、工业噪声和施工噪声等，也会对泄漏声信号的采集和分析造成严重干扰，进一步增加了泄漏检测的难度和复杂性。因此，为了提高基于声信号处理的供水管网泄漏检测技术的准确性和可靠性，深入研究供水管网泄漏检测中的信号处理理论和方法具有重要的现实意义和迫切的实际需求。

（二）国内外研究进展与瓶颈

在长输管道泄漏检测领域，压力波法、负压波法等技术已相对成熟，并在实际工程中得到广泛应用。这些方法主要基于管道内流体压力的变化来检测泄漏，具有检测速度快、定位精度较高等优点。然而，当将这些技术应用于供水管网时，却面临诸多挑战。供水管网与长输管道在结构和运行特性上存在显著差异，供水管网分支众多，管径和材质变化频繁，泄漏形式也复杂多样，包括小孔泄漏、裂纹泄漏以及接口破裂等。这些特点使得长输管道泄漏检测技术难以直接适用于供水管网，无法满足供水管网泄漏检测的高精度和可靠性要求。

目前，针对供水管网泄漏检测的研究主要集中在泄漏声信号传播机理和时延估计算法优化两个方面。在泄漏声信号传播机理研究方面，学者们通过理论分析、数值模拟和实验研究等手段，深入探究了声信号在不同管材、管径、埋深以及土壤条件下的传播规律，为泄漏检测提供了重要的理论基础。时延估计算法优化则致力于提高泄漏点定位的精度，通过改进算法，减少信号处理过程中的误差，从而更准确地确定泄漏点的位置。

尽管在上述两个方面取得了一定进展，但当前的研究仍存在一些瓶颈问题。首先，对于泄漏声信号的“不可重复”特征提取，目前的研究还不够深入。泄漏声信号在产生和传播过程中，受到多种复杂因素的影响，具有明显的“不可重复”特性，这使得传统的信号处理方法难以有效提取其特征，从而影响了泄漏检测的准确性和可靠性。其次，在复杂噪声环境下，如何准确辨识泄漏声信号也是一个亟待解决的难题。城市环境中的噪声干扰种类繁多、强度各异，如何从这些复杂的噪声中准确分离出泄漏声信号，是提高泄漏检测精度的关键。此外，现有的基于时延估计的定位方法通常依赖于管道长度和声速等参数，而在实际的供水管网中，这些参数往往难以精确获取，存在较大误差，这也导致了定位结果的不准确，限制了该方法在实际工程中的应用。

二、泄漏声信号产生机理与特征分析

（一）泄漏声信号激励源与传播特性

当供水管网发生泄漏时，管内高压水流会从泄漏口喷出，这一过程会引发一系列复杂的物理现象，从而产生泄漏声信号。基于流体力学与薄壳振动理论，泄漏引发的管内空泡声、湍流声及附面层脉动压力是核心激励源。当高速水流从泄漏口喷出时，由于压力的突然变化，水中会形成大量微小的空泡，这些空泡在形成、发展和溃灭的过程中会产生强烈的噪声，即空泡声。管内水流在泄漏口附近会形成高度紊乱的湍流，湍流中的速度脉动和压力脉动也会产生噪声，即湍流声。而附面层脉动压力则是由于水流与管道内壁的相互作用