CC BY
50
^ДИАГНОСТИКА И РЕМОНТ
УДК 621.002
ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ ПО ГИДРОАКУСТИЧЕСКОМУ КАНАЛУ В
ВОДОПРОВОДНЫХ СЕТЯХ
В.А. Першин1, В.А. Зибров2
Донской государственный технический университет (ДГТУ), 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1
Рассмотрено прохождение акустической волны внутри цилиндрической водопроводной трубы. Приведены временные области распространения акустического давления в трубах радиусом 210мм на расстояниях 300м и 800м для разных мод.
Ключевые слова: акустическая волна, водопровод, отражения, реверберация, моды.
DISCLOSURE OF INFORMATION ON HYDROACOUSTIC CHANNEL IN WATER SUPPLY
SYSTEMS
V.A. Pershin, V.A. Zibrov
Don State Technical University,Russia, 344000, Rostov-on-Don, Gagarin Square, 1 Consider the case of an acoustic wave inside a cylindrical water pipe. Adjust the time the dissemination of the acoustic pressure in the pipes radius of 210mm at a distance of 300m and 800m for different modes. Keywords: acoustic wave, water, reflection, reverberation, mode.
Введение
Современное состояние систем водоснабжения - результат сотен лет развития и больших материальных затрат. Размер, стоимость и сложность современных систем водоснабжения накладывают определенные ограничения на быструю замену водопроводных сетей. Многофазные процессы, вызванные статическими факторами (например, транспортируемой водой по водопроводу, видом прокладки водопровода) и динамическими факторами (например, климатические условия, зоны повышенного давления) приводят к ухудшению структуры водопроводных магистралей и возрастающим количеством отказов. Очень часто механизмы, приводящие к отказам водопроводных магистралей, имеют комплексный характер.
В соответствии с Водной стратегией Российской Федерации на период до 2020 года, утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 27.08.2009 Number 1235-р, развитие жилищно-коммунального комплекса, ориентированное на обеспечение гарантированного доступа населения России к
качественной питьевой воде, рассматривается как задача общегосударственного масштаба, решение которой должно быть осуществлено за счет реализации мероприятий федеральной целевой программы «Чистая вода» на 2011-2017 годы. Объекты водоснабжения и водоотведе-ния, строительство и реконструкция которых осуществляется в рамках данной Программы, подлежат обязательному оснащению приборами учета используемых энергетических ресурсов в соответствии с требованиями статьи 13 Федерального закона от 23.11.2009 Number 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».
При этом возникающие экологические проблемы и требования потребителей водных ресурсов, стали существенно влиять на развитие системы водоснабжения и соответственно улучшение услуг жилищно-коммунального хозяйства. Требования потребителей основаны на стремительном развитии передовых технологий систем водоснабжения.
1Першин Виктор Алексеевич - доктор технических наук, профессор кафедры "Технические системы ЖКХ и сферы услуг" ДГТУ, тел.: +7(918) 512 41 47, e-mail: pershin@sssu.ru;
2Зибров Валерий Анатольевич - кандидат технических наук, доцент кафедры "Радиоэлектронные и электротехнические системы и комплексы"ДГТУ, тел.: +7(928) 128 86 28, e-mail: zibrov@sssu.ru.
Современный уровень развития инфо-коммуникационных технологий позволяет перевести большинство объектов жилищно-коммунального хозяйства на автоматический режим работы с предоставлением возможности дистанционного мониторинга и управления сетью объектов с единых диспетчерских пунктов [1-5]. Такой подход приводит к снижению затрат на эксплуатацию объектов, позволяет сократить численность их персонала при одновременном существенном улучшении качества обслуживания, решении задачи автоматизированного учета и оптимизации управления технологическими процессами. Получение объективной информации позволяет реально оценивать истинное состояние объектов и их оборудования, что обеспечивает принятие обоснованных решений для планирования организационно-технических мероприятий.
Метрологические характеристики автоматизированных систем учета гидроресурсов достаточно высоки, однако имеются и недостатки: применение ненадежных радио и проводных систем связи, наличие достаточно мощного источника питания, работающего от общей сети энергоснабжения, отсутствие унификации протоколов связи, работа программы верхнего уровня с несколькими драйверами и т. п.
В тоже время применение ультразвуковой технологии передачи данных для учета гидроресурсов, позволит проводить измерение и передачу данных, используя гидроакустический канал связи в водопроводных сетях.
Поэтому несомненный теоретический интерес представляет оценка гидроакустического канала связи в водопроводных сетях. Гидроакустическая система связи основана на обмене акустическими сигналами между стационарными узлами в сети через воду, текущую в водопроводе. Во время распространения по водопроводной трубе акустическая волна подвергается искажениям, которые изменяют ее форму, амплитуду, частотные и фазовые характеристики [6].
Таким образом, актуальны разработки и обоснования технологии исследования водопроводных сетей, ультразвуковыми методами с целью повышения эффективности диагностики водопроводов, а также предупреждения чрезвычайных ситуаций и мониторинга экологической обстановки.
Результаты расчетов
Область исследований акустического канала связи в водопроводных трубах, в настоящее время слабо изучена. Ограниченное пространство водопроводной трубы создает серьезное многолучевое распространение волн [7]. Основанием для данного утверждения, яв-
ляется эмпирическое правило [8], которое определяет верхний предел частоты сигнала относительно расстояния передачи (при расстоянии 500м, максимальная частота, которая может использоваться для передатчика, составляет приблизительно 80 кГц), при этом изменения экологических переменных, являющихся важными в открытой водной среде, имеют минимальные значения в водопроводной сети.
Наличие различных препятствий, изменений в геометрии трубопровода (изгибы, ответвления и т.п.), также являются источниками искажений передаваемого сигнала. Отражения акустической волны от препятствий трубопровода рассеиваются в окружающей водной среде, при этом значительно уменьшая энергию волны и увеличивая многолучевое распространение. Дисперсионный характер распространения акустической волны в водопроводе наблюдается с помощью одиночных импульсов и волнами определенного спектра частот. Эти волны, распространяясь по водопроводу, регистрируются на определенных расстояниях вдоль его длины несколькими приемниками, расположенными в различных точках через поперечный разрез водопровода. Полученные таким образом данные позволят изучить искажения импульсов по амплитуде, фазе и частоте, в зависимости от множественных препятствий, материалов и конфигураций водопровода.
Рассмотрим источник с координатами (то,во,Хо) расположенный внутри упругой цилиндрической трубы, заполненной водой (рисунок 1).
Рисунок 1 - Вид расположения источника сигнала внутри трубы
Для определения уравнения акустического давления внутри водопроводной трубы применяем уравнение Гельмгольца в цилиндрических координатах [9-11]:
1 ( 1 | (2ф + _
~ыг )+{?) (ё2+ ф_...
_5(г-ю,№-тх - Хо) 2пг
где: к =
2п/
- волновое число; c - скорость
p(r, 0, х) = 2 \Bre
iy (х-х0)
(2)
звука в воде; (r0,0O,х0) - координаты источни- где р(г,0,х) - акустическое давление внутри ка акустического сигнала. Применяем метод трубьг А = 3 (пг )© (0 )'
разделения переменных:
ф(г, 0, х) = R(r )0(0) X (х).
Решение для радиуса R является уравнением Бесселя:
'я VI'0n^
Bn = Jn („r)©n (0). Используем ортогональность Jn и © n :
1 f dR)
R dr l Г dr J
f n2) k 2-—
kr 2
V Г У
:0,
p(r, 0, х) = 2 (Jn (ПГ0 )©(00)) Jn (nr )©n (0)e
iY (х-X0)
n=0
где п и кг - константы.
Вводим граничные условия, исключаем из рассмотрения поперечные волны к оси ОХ, 3' (пг) = 3п (цг) и применяем только функции Бесселя первого
В работе рассматриваем только решения, которые удовлетворяют граничным условиям на стенках трубы:
й
dr
= 0 , и моды радиально-
'=R
2 2 2 n2
\nm
рода, порядка n. Принимаем во внимание что го волнового числа Цпт , удовлетворяющие ус-
f sin 0, r-
R(r) = Jn („r), ©n (0) = \ и акустическая ловию: Ynm = V к
Icos 0, ^ -
^ Таким образом, если источник распо-
волна распространяется только в направлении ложен внутри упругой цилиндрической трубы,
оси OX (X (х) = eiYX): то акустическое давление на акустическом регистраторе:
0.5
p(r, 0, х, ю) = -^2 / (ю)22
Jn (4nmr0 ) cos(n00 ) Jn (Пnmr) COs(n0)
,iYnmX
cR2
Вид исходного сигнала
n=0 m=l
а)
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Время(мс)
n
2
(1 -„^ Jn (Пnm ))
Inm
2
Спектр исходного сигнала
(3)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
4
Частота (Гц)
Рисунок 2 - Сигнал от источника излучения (а) и спектр (б)
где: R - радиус трубы; (г, 0, х) - координаты приёмника акустического давления; упт - осевое волновое число; / (ю) - функция сигнала, выраженная в частотной области; р - плотность воды.
Фазовая скорость моды:
ю с
Ю Упт ^1-(Ппт / к)2 '
и соответственно групповая скорость:
V, = Су11 - (Ппт / к)2 = Су11 - (юпт / Ю)2 .
Проведем расчет акустического давления внутри трубы, применяя интерактивную
систему МЛТЬЛБ, и учитывая, что Г 0,5R , 00 = 50
0 - расположение источника акустиче-
г = 0 5R 0 = 50 ской волны, , , - расположение
приёмника акустической волны. Вид последовательности импульсов и спектр приведены на рисунке 2.
На рисунках (3 - 10) приведены временные области распространения акустического давления в трубе радиусом 210мм на расстояниях х=300м и х=800м для разных мод.
На рисунке 3 приведена последовательность импульсов, мода (0,0) которой на расстояниях х=300м и х=800м не претерпевает существенных изменений. На рисунках 4 и 5 приведены временные области распространения акустического давления моды (0,1) и (0,2), где видно, что они значительно медленнее, чем мода (0,0), причём с увеличением расстояния форма импульсов искажается. Для случаев (рисунок 6 - 8), можно сказать, что передаваемый
c
0
-0.5
последовательность импульсов значительно искажена из-за результата перекрытия волн, у которых есть более длинные пути распространения. Это признак многолучевого распространения акустической волны в трубе, и многих ревербераций передаваемого акустического
Область распространения давления
сигнала. Необходимо отметить, что эти реверберации соответствуют более высоким модам, которые быстрее ослабляются с увеличением расстояния.
Область распространения давления
Время(мс)
Время(мс)
б)
Рисунок 3 - Временные области распространения акустического давления
х=300м (а), х=800м (б), мода (0,0)
Область распространения давления
Область распространения давления
Время(мс)
Время(мс)
1.4
1.4
0
1.4
1.4
Рисунок 4 - Временные области распространения акустического давления
х=300м (а), х=800м (б), мода (0,1)
Область распространения давления
-1
3000
Область распространения давления
Время(мс)
-5000 3000
б)
Время(мс)
Рисунок 5 - Временные области распространения акустического давления
х=300м (а), х=800м (б), мода (0,2)
0.5
0
0
-0.5
1.4
1.4
0
Область распространения давления
Область распространения давления
-5000 3000
Время (мс)
б)
Время(мс)
Рисунок 6 - Временные области распространения акустического давления
х=300м (а), х=800м (б), мода (1,1)
Область распространения давления Область распространения давления
-2 3000
-2 3000
Время(мс)
Время(мс)
а)
б)
Рисунок 7 - Временные области распространения акустического давления
х=300м (а), х=800м (б), мода (2,2)
0
1.4
1.4
0
2
2
0
0
-1
-1
1.4
1.4
0
0
Область распространения давления
-5 3000
Время (мс) 0
Рисунок 8 - Временная область распространения акустического давления, частота импульсной
последовательности 55кГц, мода (1,109), х=800м
На рисунке 9 приведены временные области распространения акустического давления в зависимости от радиуса трубы. Плоская волна распространяется в трубах с разными диаметрами без существенных изменений. Од-
нако стоит отметить, что акустический сигнал, распространяющийся в трубе с большим радиусом, возбуждает больше мод, чем при распространении его в трубе с меньшим радиусом.
Из-за возрастающего числа мод, возбуждаемых в трубе с большим радиусом, принимаемый сигнал будет искажен наложением отраженных сигналов на основной сигнал. В трубах с большим радиусом существуют и большее количество путей распространения высших мод. Этот факт наиболее очевиден для высокочастотных сигналов, которые имеют меньшую продолжительность во времени, и соответственно большее количество высших мод, распространяющихся по многолучевым траекториям. Причём такое же поведение можно наблюдать и при передаче сигналов с более низкой частотой, при условии увеличения радиуса трубы, увеличивается и количество путей распространения высших мод (рис. 9 и 10).
5
0
1.4
Область распространения давления
Область распространения давления
3
1 2
I 1 5 о
CI
Ё -1 л
I -2
-3
3ооо
1
s as
н
Ф
л
л 0 ад
| -0.5 ти л
^ -1
<
-1.5 3000
Время(мс)
Время(мс)
а)
б)
Рисунок 9 - Временные области распространения акустического давления R = 100мм (а), R = 150мм
(б), х=800м, мода (0,0)
Область распространения давления
-1
3000
Время(мс)
Рисунок 10 - Временная область распространения акустического давления частота импульсной последовательности 115кГц, мода (1,109), х=800м
Выводы
1. В цилиндрической водопроводной трубе желательно передавать информацию с помощью оговоренной выше волны с модой (0,0).
2. Необходимо применение согласованного фильтра для выделения режима распространения волны с модой (0,0) из принятых импульсов.
3. Большая часть энергии передаваемого импульса приходится на распространение высших мод, при этом значительно ослабляя моду (0,0).
Литература
1. Misiunas, D., 2005. Monitoring and asset condition assessment in water supply systems, PhD thesis, Lund Univ., Lund.
2. Dermile, R. and Saniie, J., 2001. Modelbased estimation of ultrasound echoes Part I: Analysis and algorithms. IEEE Transactions on Ultrasounds, Ferroelec-trics and Frequency Control, 48(3): 787-802.
3. Yang, C., Liu, Y. and Yu, J., 2009. Prestressing Concrete Cylinder Pipe Monitoring Based on WSN. ournal of Information and Communication Technology, 2(2): 58-62.
4. Swamee, P. and Sharma, A, 2008. Design of water supply pipe networks. John Wiley: 347.
5. Jin, Y. and Eydgahi, A., 2008. Monitoring of distributed pipeline systems by wireless sensor networks. 2008 IAJC-IJME International Conference, International Association of Journals & Conferences.
6. O'Shea, P., 2000. Failure mechanisms for small diameter cast iron water pipes, PhD thesis, Southampton Univ., Southampton.
7. Kokossalakis, G., 2006. Acoustic data communication system for in-pipe wireless sensor networks, PhD thesis, MIT, Massachusetts.
8. Rienstra, S.W. and Hirschberg, A., 2012. An introduction to acoustics. Eindhoven University of Technology: 284.
9. Kausel, E., 2006. Fundamental solutions in elastodynamics. Cambridge University Press: 262.
10. Sullivan, E. and Candy, J., 2003. Acoustic Propagation in a Water-Filled Cylindrical Pipe, University of California, Lawrence Livermore National Laboratory, Technical Information Department.
11. Тарасов С.П., Зибров В.А. Организация акустического канала передачи данных в продуктопроводе. Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск «Экология 2011 - море и человек». - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2011. Number 9(122). С.57-62.
1.4
1.4
0
0
0.5
0
-0.5
1.4
0
