一种基于音频的水工隧洞运行期空蚀空化实时监测方法和系统与流程

1.本技术涉及水利工程领域，并且更具体的，涉及一种基于音频的水工隧洞运行期空蚀空化实时监测方法和系统。


背景技术：

2.水工隧洞根据类型的不同，承担着泄洪、导流等重要任务。随着近年来高坝大库水利枢纽的建设，水工隧洞中的流速大大提高，尤其在汛期泄洪时，洞内流速往往可达40～50m/s。高速水流流经不平整边界时压强骤降，水体内气核迅速膨胀成空气泡形成空穴流，之后流经高压区时气泡会发生溃灭，对边界造成极大的冲击作用，造成边壁的剥离，发生空化空蚀破坏。
3.在枢纽工程的运行管理中，一般是在泄洪作业后通过人工巡检排查空化空蚀破坏部位，并进行相应的修复工作。这种传统的监测检修方式无法实时确认泄洪过程中的水流空化状态，一旦破坏发生，空化空蚀面积和深度很可能加速发展，严重危害隧洞结构安全和过水能力，存在很大的安全隐患。因此，寻找实时监测水工隧洞空化空蚀状态的新思路新方法是当前亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.本技术提供一种基于音频的水工隧洞运行期空蚀空化实时监测方法和系统，可以实时监测水工隧洞内的音频信号，及时识别空化空蚀破坏的发生，保证水工隧洞的结构安全，保障水利枢纽的长期安全运行。
5.第一方面，提供了一种监测水工隧洞空蚀空化的方法，包括：声学传感器用于采集所述声学传感器所在位置的水工隧洞内的声音信号，并将所述声音信号转化为电信号；数据采集仪用于将所述电信号转换为数字信号，所述声学传感器通过水工光缆与所述数据采集仪连接；所述数据采集仪将所述数字信号输入服务器；所述服务器根据所述数字信号和水工隧洞空蚀空化的噪声频谱特征，确定所述声学传感器所在的位置是否发生空蚀空化。
6.因此，通过声学传感器采集所述声学传感器所在位置的水工隧洞内的声音信号，并通过所述数据采集仪将所述声音信号转化的所述数字信号输入服务器，所述服务器根据所述数字信号和水工隧洞空蚀空化的噪声频谱特征，确定所述声学传感器所在的位置是否发生空蚀空化，可以实时监测水工隧洞内的音频信号，及时识别空化空蚀破坏的发生，避免人工巡检排查空化空蚀破坏部位的安全隐患，保证水工隧洞的结构安全，保障水利枢纽的长期安全运行。
7.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述声学传感器安装于水工隧洞内易发生空化空蚀破坏的位置的隧洞顶部，所述水工隧洞内易发生空化空蚀破坏的位置包括下述多个位置中的任一个或多个位置：水工隧洞补气坎上游设定距离处、水工隧洞渐变段首末端和水工隧洞渥奇段处。
8.可选的，所述声学传感器声音信号的量程为：0-150db，频谱测量范围为：0.35-100khz。
9.为了防止水汽或溅水对所述声学传感器正常工作的不利影响，所述声学传感器应安装在隧洞断面的洞顶处，而且所述声学传感器外部需设置保护罩进行防水和保护。结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述服务器根据所述数字信号和水工隧洞空蚀空化的噪声频谱特征，确定所述声学传感器所在的位置是否发生空蚀空化，包括：所述服务器根据自适应滤波器去除所述数字信号的背景噪音，获得目标信号；所述服务器计算所述目标信号的噪声频谱特征；所述服务器根据所述目标信号的噪声频谱特征和所述水工隧洞空蚀空化的噪声频谱特征，确定所述声学传感器所在的位置是否发生空蚀空化。
10.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述服务器根据所述目标信号的噪声频谱特征和所述水工隧洞空蚀空化的噪声频谱特征，确定所述声学传感器所在的位置是否发生空蚀空化，包括：当所述目标信号的噪声频率小于所述水工隧洞空蚀空化的噪声频率时，确定所述声学传感器所在的位置没有发生空蚀空化；或者，当所述目标信号的噪声频率大于或者等于所述水工隧洞空蚀空化的噪声频率时，确定所述声学传感器所在的位置发生空蚀空化。
11.具体而言，水工隧洞处于正常泄流状态，空化空蚀现象不发生时，噪声为低频噪声；当水工隧洞内发生空化空蚀现象时，噪声为高频噪声，频率可在15khz左右。
12.结合第一方面，在第一方面的某些实现方式中，所述服务器根据所述目标信号的噪声频谱特征和所述水工隧洞空蚀空化的噪声频谱特征，确定所述声学传感器所在的位置是否发生空蚀空化，包括：
13.定义平均相似度
14.其中，a，b为噪声特征频段上下限，n为频段内频率数，|xn|为目标信号在特征频段内不同频率对应的能量值，|x
n’|为噪声信号在特征频段内不同频率对应的能量值，a空为所述水工隧洞发生空化空蚀破坏的临界相似度；
15.当时，确定所述声学传感器所在的位置没有发生空蚀空化；或者，当时，确定所述声学传感器所在的位置发生空蚀空化。
16.第二方面，提供了一种监测水工隧洞空蚀空化的系统，包括：多个声学传感器，数据采集仪和服务器，其中，所述声学传感器用于采集所述声学传感器所在位置的水工隧洞内的声音信号，并将所述声音信号转化为电信号；所述数据采集仪用于将所述电信号转换为数字信号，所述数据采集仪将所述数字信号输入所述服务器，所述声学传感器通过水工光缆与所述数据采集仪连接；所述服务器根据所述数字信号和水工隧洞空蚀空化的噪声频谱特征，确定所述声学传感器所在的位置是否发生空蚀空化。
17.结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述声学传感器安装于水工隧洞内易发生空化空蚀破坏的位置的隧洞顶部，所述水工隧洞内易发生空化空蚀破坏的位置包括下述多个位置中的任一个或多个位置：水工隧洞补气坎上游设定距离处、水工隧洞渐变段首末端和水工隧洞渥奇段处。
18.结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述服务器根据所述数字信号和
水工隧洞空蚀空化的噪声频谱特征，确定所述声学传感器所在的位置是否发生空蚀空化，包括：所述服务器根据自适应滤波器去除所述数字信号的背景噪音，获得目标信号；所述服务器计算所述目标信号的噪声频谱特征；所述服务器根据所述目标信号的噪声频谱特征和所述水工隧洞空蚀空化的噪声频谱特征，确定所述声学传感器所在的位置是否发生空蚀空化。
19.结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述服务器根据所述目标信号的噪声频谱特征和所述水工隧洞空蚀空化的噪声频谱特征，确定所述声学传感器所在的位置是否发生空蚀空化，包括：当所述目标信号的噪声频率小于所述水工隧洞空蚀空化的噪声频率时，确定所述声学传感器所在的位置没有发生空蚀空化；或者，当所述目标信号的噪声频率大于或者等于所述水工隧洞空蚀空化的噪声频率时，确定所述声学传感器所在的位置发生空蚀空化。
20.结合第二方面，在第二方面的某些实现方式中，所述服务器根据所述目标信号的噪声频谱特征和所述水工隧洞空蚀空化的噪声频谱特征，确定所述声学传感器所在的位置是否发生空蚀空化，包括：
21.定义平均相似度
22.其中，a，b为噪声特征频段上下限，n为频段内频率数，|xn|为目标信号在特征频段内不同频率对应的能量值，|x’n
|为噪声信号在特征频段内不同频率对应的能量值，a空为所述水工隧洞发生空化空蚀破坏的临界相似度；
23.当时，确定所述声学传感器所在的位置没有发生空蚀空化；或者，当时，确定所述声学传感器所在的位置发生空蚀空化。
附图说明
24.图1是申请实施例提供的一种监测水工隧洞空蚀空化的方法的示意性应用场景图；
25.图2是本技术实施例提供的一种监测水工隧洞空蚀空化的方法的示意性流程图；
26.图3是本技术实施例提供的服务器端的示意性流程图；
27.图4是本技术实施例提供的自适应滤波的基本原理图；
28.图5是本技术实施例提供的一种信号频谱的示意图；
29.图6是本技术实施例提供的一种监测水工隧洞空蚀空化的系统的示意性框架图。
具体实施方式
30.水工隧洞空化空蚀破坏发生后，由于水流边界条件的急剧改变，空化气核的形成和溃灭，以及隧洞边壁结构的流固耦合振动，都会产生不同于通常情况下水工隧洞泄流所产生的声音信号。这种空化空蚀破坏产生特殊声音信号的现象在原型和模型试验中被屡屡证实，有鉴于此，本技术提供一种监测水工隧洞空蚀空化的方法和系统，可以实时监测水工隧洞内的音频信号，及时识别空化空蚀破坏的发生，保证水工隧洞的结构安全，保障水利枢纽的长期安全运行。
31.为了更清楚的理解本技术实施例，下面先对本技术的应用场景进行简单介绍。图1是申请实施例提供的一种基于音频的水工隧洞运行期空蚀空化实时监测方法的示意性应用场景图。
32.如图1所示，所述声学传感器布置在补气坎上游一定距离处隧洞顶部，所述声学传感器采集的电信号通过专用水工光缆传输至采集仪，所述采集仪将所述电信号转换为数字信号后通过网线传输至服务器端，经过降噪、分析处理后可确定隧洞内空化空蚀状况。应理解，图1中没有示出所述数据采集仪，所述服务器可以兼容数据采集仪的功能。
33.图2是本技术实施例提供的一种监测水工隧洞空蚀空化的方法100的示意性流程图。如图2所示，图2中示出的方法100可以包括s110至s140。下面结合图2详细说明方法100中的各个步骤。
34.s110，声学传感器用于采集所述声学传感器所在位置的水工隧洞内的声音信号，并将所述声音信号转化为电信号。
35.s120，数据采集仪用于将所述电信号转换为数字信号，所述声学传感器通过水工光缆与所述数据采集仪连接。
36.s130，所述数据采集仪将所述数字信号输入服务器。
37.s140，所述服务器根据所述数字信号和水工隧洞空蚀空化的噪声频谱特征，确定所述声学传感器所在的位置是否发生空蚀空化。
38.可选的，所述声学传感器安装于水工隧洞内易发生空化空蚀破坏的位置的隧洞顶部，所述水工隧洞内易发生空化空蚀破坏的位置包括下述多个位置中的任一个或多个位置：水工隧洞补气坎上游设定距离处、水工隧洞渐变段首末端和水工隧洞渥奇段处。
39.可选的，所述声学传感器声音信号的量程为：0-150db，频谱测量范围为：0.35-100khz。
40.可选的，为了防止水汽或溅水对所述声学传感器正常工作的不利影响，所述声学传感器应安装在隧洞断面的洞顶处，而且所述声学传感器外部需设置保护罩进行防水和保护。
41.可选的，所述水工光缆接于所述声学传感器输出端，进行适当规划，在补气洞内安排合理线路，出洞后连接至数据采集仪，实现电信号的传输。所述数据采集仪和电脑(或服务器)布置在安全监测室内，该房间距离隧洞一定距离，保证干燥环境。所述数据采集仪的作用是将光纤中的电信号转换为数字信号，通过网线和电脑(或服务器)连接。电脑通过网线接受声音的数字信号，实时显示声音信息并存储数据，同时具备一定的简单分析功能。在一定需求下，电脑可以与远端服务器实现信息共享，研究人员可以远程提取声音数据进行分析。
42.在步骤s140中，所述服务器将所采集到的数字信号采用自适应滤波算法进行数字滤波，以去除环境噪声，然后通过傅里叶变换分析所采集到的数字信号的频谱特征，并与水工隧洞空蚀空化的噪声频谱特征进行对比，实时判断水工隧洞内空化空蚀破坏是否正在发生。
43.具体而言，如图3所示，图3是本技术实施例提供的服务器端的示意性流程图。所述声学传感器通过水工光缆传输采集到的信号至所述服务器端，所述服务器接收到初始信号后，使用lms自适应滤波算法对采集到的音频信号进行数字滤波消除环境噪音得到目标信
号(因为声学传感器采集并处理后的数字信号是真实信号和背景噪声的叠加)，在自适应滤波器af中输入相关参考噪音后，lms自适应滤波算法能够根据误差自动调整权矢量，去除背景噪音得到真实信号即目标信号。所述目标信号通过傅里叶变换分析所采集到的数字信号的频谱特征，并与水工隧洞空蚀空化的噪声频谱特征进行对比，实时判断水工隧洞内空化空蚀破坏是否正在发生；当确定水工隧洞内空化空蚀破坏正在发生时，发出预警，或者确定水工隧洞内空化空蚀破坏没有发生时，判断水工隧洞处于安全工作状态。
44.在本技术中，所述声学传感器能够实时监测水工隧洞内的音频信号，通过自适应滤波算法准确去除水流和振动引起的环境噪声，及时识别空化空蚀破坏的发生，进而采取调整措施，保证水工隧洞的结构安全，保障水利枢纽的长期安全运行。
45.本技术涉及自适应滤波，为了更清楚的理解本技术，下面简单介绍自适应滤波的基本原理。图4是本技术实施例提供的自适应滤波的基本原理图。背景噪音v1(n)需在监测前获取，可以是无空化空蚀现象发生时采集的原观背景噪音，也可以通过模型试验数据计算确定。系统a端的输入信号d(n)是声学传感器的采集信号，是真实信源s(n)和背景噪声v0(n)的叠加态，即d(n)＝s(n) v0(n)。背景噪音v1(n)从b端输入，被称为参考输入。e(n)为自适应滤波器输出信号y(n)与参考输入v1(n)的误差信号e(n)＝y(n)-v1(n)。
46.自适应滤波器af会根据e(n)调整权矢量w(n)，使得输入y(n)趋近于v1(n)。于是e(n)作为输入信号d(n)与输出信号y(n)之差趋近于真实信源信号s(n)，即去除环境噪声后的目标信号，输出在服务器端。
47.可选的，所述服务器根据所述目标信号的噪声频谱特征和所述水工隧洞空蚀空化的噪声频谱特征，确定所述声学传感器所在的位置是否发生空蚀空化，包括：当所述目标信号的噪声频率小于所述水工隧洞空蚀空化的噪声频率时，确定所述声学传感器所在的位置没有发生空蚀空化；或者，当所述目标信号的噪声频率大于或者等于所述水工隧洞空蚀空化的噪声频率时，确定所述声学传感器所在的位置发生空蚀空化。
48.具体而言，水工隧洞处于正常泄流状态，空化空蚀现象不发生时，噪声为低频噪声；当水工隧洞内发生空化空蚀现象时，噪声为高频噪声，频率可在15khz左右。
49.可选的，所述服务器根据所述目标信号的噪声频谱特征和所述水工隧洞空蚀空化的噪声频谱特征，确定所述声学传感器所在的位置是否发生空蚀空化，包括：
50.定义平均相似度
51.其中，a，b为噪声特征频段上下限，n为频段内频率数，|xn|为目标信号在特征频段内不同频率对应的能量值，|x
n’|为噪声信号在特征频段内不同频率对应的能量值，a空为所述水工隧洞发生空化空蚀破坏的临界相似度；
52.当时，确定所述声学传感器所在的位置没有发生空蚀空化；或者，当时，确定所述声学传感器所在的位置发生空蚀空化。
53.具体而言，如图5所示，(a)为预先获取的背景噪音v1(n)，(b)为声学传感器采集的初始信号，经过自适应滤波器处理，得到(c)降噪后的目标信号，也即真实信源信号。对其进行频谱分析，得到(d)信号频谱。将空化空蚀噪声特征频段与目标信号对应频段进行能量值对比，分析目标信号中是否存在空化空蚀噪声，判断水工隧洞内是否发生空化空蚀破坏。标
准空蚀空化噪声信号需在检测前获取，同背景噪音一样，可以通过原观或模型试验确定。定义平均相似度
54.其中，a，b为噪声特征频段上下限，n为频段内频率数，|xn|为目标信号在特征频段内不同频率对应的能量值，|xn|为噪声信号在特征频段内不同频率对应的能量值，a空为所述水工隧洞发生空化空蚀破坏的临界相似度，
55.当时，确定所述声学传感器所在的位置没有发生空蚀空化；或者，当时，确定所述声学传感器所在的位置发生空蚀空化。
56.由模型试验可知噪声信号的频谱参数和发生空化空蚀破坏的临界相似度a空，提取信源信号对应频段的幅值，计算平均相似度a。
[0057] |xn|’9000.0010.0029250.0010.0029500.0010.0029750.0010.00210000.0010.00210250.0010.00210500.0010.00210750.0190.02211000.0140.015
[0058][0059]
认为此时水工隧洞内空化空蚀现象开始发生，宜调整泄洪流速，避免破坏进一步发展。
[0060]
图6是本技术实施例提供的一种监测水工隧洞空蚀空化的系统的示意性框架图。如图6所示，所述系统包括多个声学传感器，数据采集仪和服务器，其中，所述声学传感器用于采集所述声学传感器所在位置的水工隧洞内的声音信号，并将所述声音信号转化为电信号；所述数据采集仪用于将所述电信号转换为数字信号，所述数据采集仪将所述数字信号输入所述服务器，所述声学传感器通过水工光缆与所述数据采集仪连接；所述服务器根据所述数字信号和水工隧洞空蚀空化的噪声频谱特征，确定所述声学传感器所在的位置是否发生空蚀空化。
[0061]
所述系统的各个部件可以参考方法100的对应描述进行理解，为了避免重复，此处不再赘述。
[0062]
上述实施例，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或其他任意组合来实现。当使用软件实现时，上述实施例可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令或计算机程序。在计算机上加载或执行所述计算机指令或计算机程序时，全部或部分地产生按照本技术实施例所述的流程或功能。
[0063]
在本技术所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统和装置，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统。
[0064]
另外，在本技术各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。
[0065]
本技术中的各个实施例可以独立的使用，也可以进行联合的使用，这里不做限定。
[0066]
以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。