摘要
城市供水管網的漏損問題是全球水資源管理面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，不僅導致水資源浪費與經濟損失，更可能引發(fā)次生災害，影響城市基礎設施的安全運行。為有效控制管網漏損，精準定位漏點成為關鍵。本文旨在深入探討兩種主流聲學檢測技術——聽漏儀與相關儀的理論基礎、技術差異及其在不同應用場景下的優(yōu)化選擇。通過引入聲發(fā)射(Acoustic Emission, AE)理論、信號處理算法(如傅里葉變換、互相關函數)及人工智能(AI)算法，本文將詳細闡述聽漏儀與相關儀的工作機理、性能特點，并結合北京康高特儀器設備有限公司(以下簡稱“康高特”)的自研產品，分析其在非金屬管材、高背景噪聲、極低壓環(huán)境及供熱管網等復雜工況下的應用范式與技術優(yōu)勢。研究表明，兩種技術并非相互替代，而是互補共存，共同構筑了智慧水務漏損控制的綜合解決方案。
一、引言：城市管網漏損控制的緊迫性與聲學檢測的戰(zhàn)略地位
隨著城市化進程的加速，供水管網的規(guī)模日益擴大，其老化、腐蝕及外部應力導致的漏損問題日益突出。根據中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部發(fā)布的《城鎮(zhèn)供水管網漏損控制及評定標準》(CJJ 92-2016)，我國對公共供水管網漏損率設定了明確目標，要求到2025年底前控制在9%以內 。實現(xiàn)這一目標，離不開高效、精準的漏點檢測技術。在眾多檢測方法中，聲學檢測技術因其非侵入性、高效率和經濟性，成為當前漏損控制領域的核心手段。其中，聽漏儀與相關儀是兩種具代表性的聲學檢測設備，它們通過捕捉管道泄漏產生的聲學信號，為漏點定位提供關鍵信息。
二、聲學檢測技術原理：聽漏儀與相關儀的物理機制與信號處理
聽漏儀與相關儀均基于聲發(fā)射(AE)原理，即材料在變形或斷裂過程中釋放彈性波的現(xiàn)象。在管道泄漏場景中，水流在破損處高速噴射，與管壁、土壤或周圍介質發(fā)生摩擦、空化或沖擊，從而激發(fā)寬頻帶的聲學瞬態(tài)信號 。然而，兩者在信號采集、處理與定位算法上存在本質區(qū)別。
1、聽漏儀：單點聲學信號的頻譜分析與模式識別
聽漏儀的核心在于其高靈敏度的聲學傳感器(通常為壓電陶瓷換能器)和先進的數字信號處理(Digital Signal Processing, DSP)單元。壓電陶瓷換能器利用壓電效應，將管道泄漏產生的機械振動能量高效轉化為電信號。這些電信號隨后被送入DSP單元進行處理，包括：
• 高通濾波與帶通濾波：用于濾除低頻環(huán)境噪聲(如交通振動、泵站諧波)和高頻隨機噪聲，突出漏水信號的特征頻率范圍 。
• 信號放大與增益控制：對微弱的漏水信號進行有效放大，同時通過自動增益控制(Automatic Gain Control, AGC)避免信號飽和。
• 快速傅里葉變換(FFT)與頻譜分析：將時域信號轉換為頻域信號，生成功率譜密度(Power Spectral Density, PSD)圖。不同管材、介質、壓力及漏損類型(如噴射漏、滴漏、滲漏)會產生具有獨特頻率特征的聲學信號。例如，金屬管道漏水聲通常在500 Hz至2000 Hz范圍內具有較高能量，而非金屬管道則偏向100 Hz至500 Hz的低頻段 。通過對頻譜特征的分析，操作人員可以輔助判斷漏水類型和位置。
• 模式識別與AI算法：現(xiàn)代智能聽漏儀，如康高特“星辰”聽漏儀，集成了基于卷積神經網絡(Convolutional Neural Network, CNN)的AI算法。該算法通過對海量標注聲學樣本(包括真實漏水聲、環(huán)境噪聲、機械振動等)進行深度學習訓練，能夠自動識別漏水聲的特征模式，并將其與非漏水噪聲進行有效區(qū)分，顯著提升了在復雜聲學環(huán)境下的信噪比和漏點識別準確率 。
聽漏儀的定位精度依賴于操作人員對聲學信號的辨識能力和經驗，以及傳感器與漏點之間的距離。它更適用于對特定區(qū)域或可疑管段進行精細化聽測和復核，實現(xiàn)毫米級的最終定位。
2、相關儀：雙傳感器時延估計與互相關定位
相關儀的工作原理基于聲波在管道中傳播的時間延遲估計(Time Difference of Arrival, TDOA)技術和互相關函數(Cross-correlation Function)算法。其基本配置包括兩個高靈敏度傳感器(通常為加速度計或壓電傳感器)和一個中央處理單元。
• 雙傳感器信號采集：兩個傳感器分別放置在待測管段的兩端(例如兩個閥門、消防栓或管道暴露點)。當管道發(fā)生漏水時，漏水聲波會沿著管道介質向兩側傳播，并被這兩個傳感器接收。由于漏水點到兩個傳感器的距離不同，聲波到達兩個傳感器的時間會存在一個微小的時間差 Δt。
• 互相關函數計算：中央處理單元采集兩個傳感器接收到的聲學信號 S1(t) 和 S2(t)，并計算它們之間的互相關函數 R12(τ)：
R12(τ) = E[S1(t) * S2(t - τ)]
其中，E表示期望值，τ為時間延遲。互相關函數會在某個時間延遲 τ_peak 處達到峰值，這個 τ_peak 值即為聲波從漏水點傳播到兩個傳感器的時間差 。
• 漏點位置推算：結合已知的管道長度 L、兩個傳感器之間的距離 D，以及聲波在管道介質中的傳播速度 V_sound，相關儀便能通過以下公式精確推算出漏水點到第一個傳感器(或第二個傳感器)的距離 X：
X = (L - V_sound * τ_peak) / 2 (假設漏點在兩個傳感器之間)
或更通用的形式：
X = (D + V_sound * τ_peak) / 2
其中，V_sound 是一個關鍵參數，其準確性直接影響定位精度。V_sound 受管材類型、管徑、壁厚、介質類型及溫度等多種因素影響 。
相關儀的優(yōu)勢在于其高精度和對隨機環(huán)境噪聲的抑制能力。通過互相關算法，它能夠有效濾除非相干噪聲，突出漏水聲波的共同特征，從而在長距離管段的快速普查和精確預定位中表現(xiàn)出色。然而，相關儀對聲速參數的準確性要求高，且在非金屬管材中，聲波衰減快、傳播速度不穩(wěn)定，可能影響其定位精度和有效性。此外，相關儀需要明確的管段兩端進行傳感器布置，對于管線復雜、分支點多的區(qū)域，其應用會受到限制。
三、技術進階：康高特智能聽漏儀的創(chuàng)新與性能優(yōu)勢
北京康高特儀器設備有限公司作為國內電子測量儀器領域的企業(yè)，其自主研發(fā)的聽漏儀產品，如“大海”PLD-11和“星辰”智能數字聽漏儀，通過集成前沿技術，顯著提升了漏水檢測的效率與精度。
1、AI驅動的聲學模式識別與信噪比優(yōu)化
康高特“星辰”智能數字聽漏儀的核心競爭力在于其內置的AI智能漏水識別算法。該算法基于深度卷積神經網絡(DCNN)架構，通過對大規(guī)模、多場景、多類型漏水聲學數據集的訓練，實現(xiàn)了對流體激發(fā)聲學瞬態(tài)信號的精確模式識別。在實際應用中，該算法能夠自動區(qū)分管道泄漏產生的特征聲學信號與城市環(huán)境中常見的干擾噪聲(如交通噪聲、泵站振動、機械摩擦聲等)，從而將聲學信噪比(Signal-to-Noise Ratio, SNR)提升60%以上 。這一突破性進展，有效解決了傳統(tǒng)聽漏儀在復雜背景噪聲環(huán)境下誤判率高、檢測效率低的問題，尤其在白天高噪聲時段，仍能保持高精度作業(yè)。
2、超寬頻帶響應與高靈敏度傳感技術
康高特“大海”PLD-11聽漏儀配備了高性能壓電陶瓷傳感器，具備0-6000 Hz的超寬頻帶連續(xù)測量能力。這一寬頻響應特性使其能夠全面覆蓋不同管材(金屬、非金屬)、不同介質(水、蒸汽)及不同漏損類型(噴射、滲漏)產生的聲學信號頻譜。傳感器的拾音靈敏度高達48±5 V/g，確保了即使在0.1 MPa的極低管網壓力工況下，也能清晰捕捉到微弱的流體激發(fā)的聲學瞬態(tài)信號 。結合其先進的數字信號處理單元，PLD-11能夠對這些微弱信號進行有效放大、濾波和頻譜分析，實現(xiàn)毫米級的漏點精確定位，為后續(xù)的精確開挖修復提供了堅實的技術保障。
3、數字化協(xié)同與環(huán)境適應性設計
康高特自研系列聽漏儀支持通過藍牙技術與智能移動終端(如智能手機、平板電腦)進行無線連接，實現(xiàn)漏水聲學信號的實時傳輸、GPS坐標集成與測試數據的云端同步。這種數字化協(xié)同工作模式，不僅提升了現(xiàn)場作業(yè)的便捷性，也為DMA(District Metered Area)分區(qū)計量管理提供了精準的數據支撐，有助于構建智慧水務管理平臺。在環(huán)境適應性方面，康高特聽漏儀采用工業(yè)級防護設計，例如“星辰”聽漏儀的主機防護等級達到IP54，拾音器防護等級更是高達IP67 ，確保設備能夠在高寒(-20℃)、高濕、多塵等惡劣戶外環(huán)境下穩(wěn)定運行，并具備長達16-20小時的續(xù)航能力，顯著提升了設備的可靠性和野外作業(yè)效率。
四、聽漏儀的優(yōu)先應用場景與實戰(zhàn)案例分析
盡管相關儀在長距離管段的快速普查中具有其獨特的優(yōu)勢，但在以下特定且常見的場景中，聽漏儀憑借其獨特的探測機制和技術優(yōu)勢，展現(xiàn)出不可替代的價值，成為漏損檢測工程師的優(yōu)先選擇。
1、非金屬管材（PE、PVC）管網的漏損檢測
場景描述：現(xiàn)代城市供水管網中，PE(聚乙烯)和PVC(聚氯乙烯)等非金屬管材因其優(yōu)異的耐腐蝕性、輕質和安裝便捷性而被廣泛應用。然而，這些管材對聲波的衰減作用遠大于金屬管材，且聲波在其中的傳播速度受多種因素影響，表現(xiàn)出顯著的不穩(wěn)定性 。這導致相關儀在非金屬管材上的應用效果大打折扣，互相關函數峰值可能不明顯或出現(xiàn)偽峰，甚至無法有效定位。
聽漏儀優(yōu)勢：聽漏儀采用單點拾音原理，通過高靈敏度傳感器直接感應管壁上方土壤傳導的微弱振動。康高特“大海”PLD-11聽漏儀憑借其高靈敏度壓電陶瓷傳感器和0-6000 Hz的寬頻連續(xù)測量能力，能夠有效捕捉非金屬管材產生的低頻微弱信號。在某水務集團的實際案例中，使用PLD-11聽漏儀成功定位了深埋2.5米的PE管道漏點，定位偏差僅為0.2米，顯著優(yōu)于相關儀在該場景下的表現(xiàn) 。其對低頻信號的優(yōu)化響應和強的信號處理能力，使其成為非金屬管網漏損檢測的理想工具。
2、復雜環(huán)境與高背景噪聲區(qū)域的精細化排查
場景描述：城市中心區(qū)、工業(yè)園區(qū)、老舊小區(qū)以及交通干道附近，往往伴隨著高強度的環(huán)境噪聲，如車輛行駛聲、施工機械聲、工廠設備運行聲等。這些非相干噪聲極易掩蓋微弱的流體激發(fā)聲學瞬態(tài)信號，使得傳統(tǒng)檢測方法難以奏效。此外，老舊小區(qū)管線錯綜復雜，圖紙資料缺失，分支點多，相關儀難以有效布設傳感器，且其互相關算法對信號的相干性要求較高。
聽漏儀優(yōu)勢：康高特“星辰”智能數字聽漏儀內置的AI智能漏水識別算法，能夠通過深度學習自動區(qū)分這些復雜背景噪聲與真實的漏水聲。其聲學信噪比優(yōu)化能力提升60%以上，使得技術人員即使在白天高噪聲環(huán)境下也能進行高效作業(yè)。同時，聽漏儀的便攜性和靈活操作性，使其能夠穿梭于綠化帶、樓道及地下室等狹窄空間，對“毛細血管”般的復雜管網進行精細化聽測。在某老舊小區(qū)改造項目中，采用“星辰”聽漏儀進行普查，成功將該區(qū)域的漏損率從改造前的20%以上降低至8%以下 ，驗證了其在復雜環(huán)境下的優(yōu)秀性能。
3、極低壓運行環(huán)境下的隱蔽漏損檢測
場景描述：當供水管網壓力低于0.15 MPa時，漏水點處的水流噴射能量極低，產生的聲學信號極其微弱，其能量可能低于環(huán)境背景噪聲的功率譜密度，使得常規(guī)檢測設備難以識別。這類隱蔽漏損往往持續(xù)時間長，累積水量大，但因難以發(fā)現(xiàn)而成為漏損控制的“頑疾”。
聽漏儀優(yōu)勢：康高特自研聽漏儀通過其超高靈敏度傳感器和自適應濾波技術，能夠將這些極微弱的流體激發(fā)聲學瞬態(tài)信號從環(huán)境底噪中剝離出來。其先進的數字信號處理能力，可以對微弱信號進行有效放大和特征提取，并通過頻譜分析揭示其獨特的頻率特征。根據行業(yè)數據，在低壓環(huán)境下，使用具備智能算法的聽漏儀，其檢出率比傳統(tǒng)模擬設備提升了約45% 。這對于發(fā)現(xiàn)和修復那些在低壓時段才顯現(xiàn)的“間歇性”或“微小”漏損具有關鍵作用，對于提升管網的整體健康水平至關重要。
4、供熱管網蒸汽/熱水泄漏的特征識別與定位
場景描述：城市供熱管網通常埋設較深，介質為高溫高壓的蒸汽或熱水。蒸汽泄漏通常伴隨高頻嘶嘶聲，其聲學特征表現(xiàn)為寬頻帶高能量分布；而熱水泄漏則可能產生低頻咕嘟聲或沖擊聲，其能量主要集中在低頻段。如何在高溫、高壓、深埋且噪音復雜的環(huán)境下，有效區(qū)分不同介質的泄漏聲，并精準定位，是供熱行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)。
聽漏儀優(yōu)勢：康高特“大海”PLD-11聽漏儀的0-6000 Hz寬頻連續(xù)測量與頻譜分析功能，使其能夠有效捕捉并分析不同介質泄漏產生的獨特聲學特征。例如，通過對功率譜密度圖的分析，可以識別蒸汽泄漏的高頻成分和熱水泄漏的低頻成分。結合其智能自動濾波功能，可以有效過濾供熱管道運行產生的背景噪音，提高檢測的準確性。在某城市供熱公司的冬季巡檢中，PLD-11成功定位了多處深埋的熱水管道泄漏點，避免了因泄漏導致的能源浪費和安全隱患，據統(tǒng)計，通過及時修復，每年可減少熱能損失約1000萬元 。
五、企業(yè)視角：北京康高特的行業(yè)深耕與自主創(chuàng)新
北京康高特儀器設備有限公司始終秉持“讓測試更簡單”的企業(yè)使命，致力于為客戶提供高品質、高性能的測試測量解決方案。作為國內電子測量儀器前五強企業(yè)，康高特不僅與英國MEGGER、德國美翠METREL等國際品牌建立了深度合作關系，更在自主研發(fā)領域取得了顯著成就。
康高特的主導產品在2025年實現(xiàn)營收1.84億元，國內市場達13.00%，國際市場3.90%，三年累計實現(xiàn)銷售收入5.17億元人民幣 。這些數據充分體現(xiàn)了康高特在市場中的競爭力和用戶對其產品的高度認可。通過自主研發(fā)的高頻信號耦合器及智能聽漏儀，康高特成功打破了國外品牌在檢測市場的技術壟斷，使國內企業(yè)的檢測成本降低了50%以上，極大地推動了先進漏水檢測技術在我國的普及和應用。這種“研發(fā)+代理+銷售+檢測+租賃+維修”的全生命周期服務模式，確保了康高特能夠為電力、水務、軌道交通、石油石化、國防等多個高精尖領域提供全面、專業(yè)的測試解決方案。
六、結論：科學選型與技術協(xié)同助力智慧水務建設
綜上所述，聽漏儀與相關儀作為聲學漏損檢測領域的兩大核心技術，各自擁有獨特的理論基礎、技術優(yōu)勢和適用場景。相關儀憑借其互相關算法在長距離管段的快速普查和預定位中展現(xiàn)出高效率，而聽漏儀則以其單點精確定位、對非金屬管材的適應性、在復雜高噪聲環(huán)境下的優(yōu)秀性能以及對極微弱信號的捕捉能力，在特定工況下發(fā)揮著不可替代的作用。兩者并非相互替代，而是互補共存，通過技術協(xié)同，共同構筑了城市供水管網漏損控制的綜合解決方案。
選擇合適的漏損檢測設備，需要綜合考量管網材質、埋深、環(huán)境噪聲、管網壓力以及檢測目標等多種因素。康高特等國內企業(yè)在智能聽漏儀領域的持續(xù)創(chuàng)新，特別是AI算法的引入，極大地提升了設備的智能化水平和檢測精度，為實現(xiàn)國家漏損控制目標、推動智慧水務建設貢獻了重要的科技力量。未來，隨著傳感器技術、信號處理算法和人工智能的進一步發(fā)展，聲學漏損檢測技術將更加精準、高效，為城市水資源的可持續(xù)利用和基礎設施的安全運行提供更堅實的保障。
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