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，不僅導致水資源浪費與經濟損失，更可能引發次生災害，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化選擇。通過引入聲發射(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、極低壓環境及供熱管網等復雜工況下的應用范式與技術優勢。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略地位
隨著城市化進程的加速，供水管網的規模日益擴大，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建設部發布的《城鎮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射(AE)原理，即材料在變形或斷裂過程中釋放彈性波的現象。在管道泄漏場景中，水流在破損處高速噴射，與管壁、土壤或周圍介質發生摩擦、空化或沖擊，從而激發寬頻帶的聲學瞬態信號 。然而，兩者在信號采集、處理與定位算法上存在本質區別。
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分，顯著提升了在復雜聲學環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域或可疑管段進行精細化聽測和復核，實現毫米級的最終定位。
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 。
相關儀的優勢在于其高精度和對隨機環境噪聲的抑制能力。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、分支點多的區域，其應用會受到限制。
三、技術進階：康高特智能聽漏儀的創新與性能優勢
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，其自主研發的聽漏儀產品，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，通過對大規模、多場景、多類型漏水聲學數據集的訓練，實現了對流體激發聲學瞬態信號的精確模式識別。在實際應用中，該算法能夠自動區分管道泄漏產生的特征聲學信號與城市環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，有效解決了傳統聽漏儀在復雜背景噪聲環境下誤判率高、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。
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的聲學瞬態信號 。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，實現毫米級的漏點精確定位，為后續的精確開挖修復提供了堅實的技術保障。
3、數字化協同與環境適應性設計
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。這種數字化協同工作模式，不僅提升了現場作業的便捷性，也為DMA(District Metered Area)分區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。在環境適應性方面，康高特聽漏儀采用工業級防護設計，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、多塵等惡劣戶外環境下穩定運行，并具備長達16-20小時的續航能力，顯著提升了設備的可靠性和野外作業效率。
四、聽漏儀的優先應用場景與實戰案例分析
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勢，展現出不可替代的價值，成為漏損檢測工程師的優先選擇。
1、非金屬管材（PE、PVC）管網的漏損檢測
場景描述：現代城市供水管網中，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，表現出顯著的不穩定性 。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偽峰，甚至無法有效定位。
聽漏儀優勢：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，顯著優于相關儀在該場景下的表現 。其對低頻信號的優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、復雜環境與高背景噪聲區域的精細化排查
場景描述：城市中心區、工業園區、老舊小區以及交通干道附近，往往伴隨著高強度的環境噪聲，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聲學瞬態信號，使得傳統檢測方法難以奏效。此外，老舊小區管線錯綜復雜，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分這些復雜背景噪聲與真實的漏水聲。其聲學信噪比優化能力提升60%以上，使得技術人員即使在白天高噪聲環境下也能進行高效作業。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。在某老舊小區改造項目中，采用“星辰”聽漏儀進行普查，成功將該區域的漏損率從改造前的20%以上降低至8%以下 ，驗證了其在復雜環境下的優秀性能。
3、極低壓運行環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，其能量可能低于環境背景噪聲的功率譜密度，使得常規檢測設備難以識別。這類隱蔽漏損往往持續時間長，累積水量大，但因難以發現而成為漏損控制的“頑疾”。
聽漏儀優勢：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聲學瞬態信號從環境底噪中剝離出來。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。根據行業數據，在低壓環境下，使用具備智能算法的聽漏儀，其檢出率比傳統模擬設備提升了約45% 。這對于發現和修復那些在低壓時段才顯現的“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境下，有效區分不同介質的泄漏聲，并精準定位，是供熱行業面臨的挑戰。
聽漏儀優勢：康高特“大海”PLD-11聽漏儀的0-6000 Hz寬頻連續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，據統計，通過及時修復，每年可減少熱能損失約1000萬元 。
五、企業視角：北京康高特的行業深耕與自主創新
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，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，更在自主研發領域取得了顯著成就。
康高特的主導產品在2025年實現營收1.84億元，國內市場達13.00%，國際市場3.90%，三年累計實現銷售收入5.17億元人民幣 。這些數據充分體現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+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、專業的測試解決方案。
六、結論：科學選型與技術協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、在復雜高噪聲環境下的優秀性能以及對極微弱信號的捕捉能力，在特定工況下發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。康高特等國內企業在智能聽漏儀領域的持續創新，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利用和基礎設施的安全運行提供更堅實的保障。
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