城市供水管网漏损声学检测技术：听漏仪与相关仪的理论基础与应用范式

摘要

城市供水管网的漏损问题是全球水资源管理面临的严峻挑战，不仅导致水资源浪费与经济损失，更可能引发次生灾害，影响城市基础设施的安全运行。为有效控制管网漏损，精准定位漏点成为关键。本文旨在深入探讨两种主流声学检测技术——听漏仪与相关仪的理论基础、技术差异及其在不同应用场景下的优化选择。通过引入声发射（Acoustic Emission, AE）理论、信号处理算法（如傅里叶变换、互相关函数）及人工智能（AI）算法，本文将详细阐述听漏仪与相关仪的工作机理、性能特点，并结合北京康高特仪器设备有限公司（以下简称“康高特”）的自研产品，分析其在非金属管材、高背景噪声、极低压环境及供热管网等复杂工况下的应用范式与技术优势。研究表明，两种技术并非相互替代，而是互补共存，共同构筑了智慧水务漏损控制的综合解决方案。

一、引言：城市管网漏损控制的紧迫性与声学检测的战略地位

随着城市化进程的加速，供水管网的规模日益扩大，其老化、腐蚀及外部应力导致的漏损问题日益突出。根据中华人民共和国住房和城乡建设部发布的《城镇供水管网漏损控制及评定标准》（CJJ 92-2016），我国对公共供水管网漏损率设定了明确目标，要求到2025年底前控制在9%以内 。实现这一目标，离不开高效、精准的漏点检测技术。在众多检测方法中，声学检测技术因其非侵入性、高效率和经济性，成为当前漏损控制领域的核心手段。其中，听漏仪与相关仪是两种*具代表性的声学检测设备，它们通过捕捉管道泄漏产生的声学信号，为漏点定位提供关键信息。

二、声学检测技术原理：听漏仪与相关仪的物理机制与信号处理

听漏仪与相关仪均基于声发射（AE）原理，即材料在变形或断裂过程中释放弹性波的现象。在管道泄漏场景中，水流在破损处高速喷射，与管壁、土壤或周围介质发生摩擦、空化或冲击，从而激发宽频带的声学瞬态信号 。然而，两者在信号采集、处理与定位算法上存在本质区别。

1、听漏仪：单点声学信号的频谱分析与模式识别

听漏仪的核心在于其高灵敏度的声学传感器（通常为压电陶瓷换能器）和先进的数字信号处理（Digital Signal Processing, DSP）单元。压电陶瓷换能器利用压电效应，将管道泄漏产生的机械振动能量高效转化为电信号。这些电信号随后被送入DSP单元进行处理，包括：

• 高通滤波与带通滤波：用于滤除低频环境噪声（如交通振动、泵站谐波）和高频随机噪声，突出漏水信号的特征频率范围 。

• 信号放大与增益控制：对微弱的漏水信号进行有效放大，同时通过自动增益控制（Automatic Gain Control, AGC）避免信号饱和。

• 快速傅里叶变换（FFT）与频谱分析：将时域信号转换为频域信号，生成功率谱密度（Power Spectral Density, PSD）图。不同管材、介质、压力及漏损类型（如喷射漏、滴漏、渗漏）会产生具有独特频率特征的声学信号。例如，金属管道漏水声通常在500 Hz至2000 Hz范围内具有较高能量，而非金属管道则偏向100 Hz至500 Hz的低频段 。通过对频谱特征的分析，操作人员可以辅助判断漏水类型和位置。

• 模式识别与AI算法：现代智能听漏仪，如康高特“星辰”听漏仪，集成了基于卷积神经网络（Convolutional Neural Network, CNN）的AI算法。该算法通过对海量标注声学样本（包括真实漏水声、环境噪声、机械振动等）进行深度学习训练，能够自动识别漏水声的特征模式，并将其与非漏水噪声进行有效区分，显著提升了在复杂声学环境下的信噪比和漏点识别准确率 。

听漏仪的定位精度依赖于操作人员对声学信号的辨识能力和经验，以及传感器与漏点之间的距离。它更适用于对特定区域或可疑管段进行精细化听测和复核，实现毫米级的*终定位。

2、相关仪：双传感器时延估计与互相关定位

相关仪的工作原理基于声波在管道中传播的时间延迟估计（Time Difference of Arrival, TDOA）技术和互相关函数（Cross-correlation Function）算法。其基本配置包括两个高灵敏度传感器（通常为加速度计或压电传感器）和一个中央处理单元。

• 双传感器信号采集：两个传感器分别放置在待测管段的两端（例如两个阀门、消防栓或管道暴露点）。当管道发生漏水时，漏水声波会沿着管道介质向两侧传播，并被这两个传感器接收。由于漏水点到两个传感器的距离不同，声波到达两个传感器的时间会存在一个微小的时间差 Δt。

• 互相关函数计算：中央处理单元采集两个传感器接收到的声学信号 S1(t) 和 S2(t)，并计算它们之间的互相关函数 R12(τ)：

R12(τ) = E[S1(t) * S2(t - τ)]

其中，E表示期望值，τ为时间延迟。互相关函数会在某个时间延迟 τ_peak 处达到峰值，这个 τ_peak 值即为声波从漏水点传播到两个传感器的时间差 。

• 漏点位置推算：结合已知的管道长度 L、两个传感器之间的距离 D，以及声波在管道介质中的传播速度 V_sound，相关仪便能通过以下公式*推算出漏水点到第一个传感器（或第二个传感器）的距离 X：

X = (L - V_sound * τ_peak) / 2 (假设漏点在两个传感器之间)

或更通用的形式：

X = (D + V_sound * τ_peak) / 2

其中，V_sound 是一个关键参数，其准确性直接影响定位精度。V_sound 受管材类型、管径、壁厚、介质类型及温度等多种因素影响 。

相关仪的优势在于其高精度和对随机环境噪声的抑制能力。通过互相关算法，它能够有效滤除非相干噪声，突出漏水声波的共同特征，从而在长距离管段的快速普查和*预定位中表现出色。然而，相关仪对声速参数的准确性要求高，且在非金属管材中，声波衰减快、传播速度不稳定，可能影响其定位精度和有效性。此外，相关仪需要明确的管段两端进行传感器布置，对于管线复杂、分支点多的区域，其应用会受到限制。

三、技术进阶：康高特智能听漏仪的创新与性能优势

北京康高特仪器设备有限公司作为国内电子测量仪器领域的领*企业，其自主研发的听漏仪产品，如“大海”PLD-11和“星辰”智能数字听漏仪，通过集成前沿技术，显著提升了漏水检测的效率与精度。

1、AI驱动的声学模式识别与信噪比优化

康高特“星辰”智能数字听漏仪的核心竞争力在于其内置的AI智能漏水识别算法。该算法基于深度卷积神经网络（DCNN）架构，通过对大规模、多场景、多类型漏水声学数据集的训练，实现了对流体激发声学瞬态信号的*模式识别。在实际应用中，该算法能够自动区分管道泄漏产生的特征声学信号与城市环境中常见的干扰噪声（如交通噪声、泵站振动、机械摩擦声等），从而将声学信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR）提升60%以上 。这一突破性进展，有效解决了传统听漏仪在复杂背景噪声环境下误判率高、检测效率低的问题，尤其在白天高噪声时段，仍能保持高精度作业。

2、超宽频带响应与高灵敏度传感技术

康高特“大海”PLD-11听漏仪配备了高性能压电陶瓷传感器，具备0-6000 Hz的超宽频带连续测量能力。这一宽频响应特性使其能够全面覆盖不同管材（金属、非金属）、不同介质（水、蒸汽）及不同漏损类型（喷射、渗漏）产生的声学信号频谱。传感器的拾音灵敏度高达48±5 V/g，确保了即使在0.1 MPa的极低管网压力工况下，也能清晰捕捉到微弱的流体激发的声学瞬态信号 。结合其先进的数字信号处理单元，PLD-11能够对这些微弱信号进行有效放大、滤波和频谱分析，实现毫米级的漏点*定位，为后续的*开挖修复提供了坚实的技术保障。

3、数字化协同与环境适应性设计

康高特自研系列听漏仪支持通过蓝牙技术与智能移动终端（如智能手机、平板电脑）进行无线连接，实现漏水声学信号的实时传输、GPS坐标集成与测试数据的云端同步。这种数字化协同工作模式，不仅提升了现场作业的便捷性，也为DMA（District Metered Area）分区计量管理提供了精准的数据支撑，有助于构建智慧水务管理平台。在环境适应性方面，康高特听漏仪采用工业级防护设计，例如“星辰”听漏仪的主机防护等级达到IP54，拾音器防护等级更是高达IP67 ，确保设备能够在高寒（-20℃）、高湿、多尘等恶劣户外环境下稳定运行，并具备长达16-20小时的续航能力，显著提升了设备的可靠性和野外作业效率。

四、听漏仪的优先应用场景与实战案例分析

尽管相关仪在长距离管段的快速普查中具有其独特的优势，但在以下特定且常见的场景中，听漏仪凭借其独特的探测机制和技术优势，展现出不可替代的价值，成为漏损检测工程师的优先选择。

1、非金属管材（PE、PVC）管网的漏损检测

场景描述：现代城市供水管网中，PE（聚乙烯）和PVC（聚氯乙烯）等非金属管材因其优异的耐腐蚀性、轻质和安装便捷性而被广泛应用。然而，这些管材对声波的衰减作用远大于金属管材，且声波在其中的传播速度受多种因素影响，表现出显著的不稳定性 。这导致相关仪在非金属管材上的应用效果大打折扣，互相关函数峰值可能不明显或出现伪峰，甚至无法有效定位。

听漏仪优势：听漏仪采用单点拾音原理，通过高灵敏度传感器直接感应管壁上方土壤传导的微弱振动。康高特“大海”PLD-11听漏仪凭借其高灵敏度压电陶瓷传感器和0-6000 Hz的宽频连续测量能力，能够有效捕捉非金属管材产生的低频微弱信号。在某水务集团的实际案例中，使用PLD-11听漏仪成功定位了深埋2.5米的PE管道漏点，定位偏差仅为0.2米，显著优于相关仪在该场景下的表现 。其对低频信号的优化响应和强大的信号处理能力，使其成为非金属管网漏损检测的理想工具。

2、复杂环境与高背景噪声区域的精细化排查

场景描述：城市中心区、工业园区、老旧小区以及交通干道附近，往往伴随着高强度的环境噪声，如车辆行驶声、施工机械声、工厂设备运行声等。这些非相干噪声极易掩盖微弱的流体激发声学瞬态信号，使得传统检测方法难以奏效。此外，老旧小区管线错综复杂，图纸资料缺失，分支点多，相关仪难以有效布设传感器，且其互相关算法对信号的相干性要求较高。

听漏仪优势：康高特“星辰”智能数字听漏仪内置的AI智能漏水识别算法，能够通过深度学习自动区分这些复杂背景噪声与真实的漏水声。其声学信噪比优化能力提升60%以上，使得技术人员即使在白天高噪声环境下也能进行高效作业。同时，听漏仪的便携性和灵活操作性，使其能够穿梭于绿化带、楼道及地下室等狭窄空间，对“毛细血管”般的复杂管网进行精细化听测。在某老旧小区改造项目中，采用“星辰”听漏仪进行普查，成功将该区域的漏损率从改造前的20%以上降低至8%以下 ，验证了其在复杂环境下的*性能。

3、极低压运行环境下的隐蔽漏损检测

场景描述：当供水管网压力低于0.15 MPa时，漏水点处的水流喷射能量极低，产生的声学信号极其微弱，其能量可能低于环境背景噪声的功率谱密度，使得常规检测设备难以识别。这类隐蔽漏损往往持续时间长，累积水量大，但因难以发现而成为漏损控制的“顽疾”。

听漏仪优势：康高特自研听漏仪通过其超高灵敏度传感器和自适应滤波技术，能够将这些极微弱的流体激发声学瞬态信号从环境底噪中剥离出来。其先进的数字信号处理能力，可以对微弱信号进行有效放大和特征提取，并通过频谱分析揭示其独特的频率特征。根据行业数据，在低压环境下，使用具备智能算法的听漏仪，其检出率比传统模拟设备提升了约45% 。这对于发现和修复那些在低压时段才显现的“间歇性”或“微小”漏损具有关键作用，对于提升管网的整体健康水平至关重要。

4、供热管网蒸汽/热水泄漏的特征识别与定位

场景描述：城市供热管网通常埋设较深，介质为高温高压的蒸汽或热水。蒸汽泄漏通常伴随高频嘶嘶声，其声学特征表现为宽频带高能量分布；而热水泄漏则可能产生低频咕嘟声或冲击声，其能量主要集中在低频段。如何在高温、高压、深埋且噪音复杂的环境下，有效区分不同介质的泄漏声，并精准定位，是供热行业面临的挑战。

听漏仪优势：康高特“大海”PLD-11听漏仪的0-6000 Hz宽频连续测量与频谱分析功能，使其能够有效捕捉并分析不同介质泄漏产生的独特声学特征。例如，通过对功率谱密度图的分析，可以识别蒸汽泄漏的高频成分和热水泄漏的低频成分。结合其智能自动滤波功能，可以有效过滤供热管道运行产生的背景噪音，提高检测的准确性。在某城市供热公司的冬季巡检中，PLD-11成功定位了多处深埋的热水管道泄漏点，避免了因泄漏导致的能源浪费和安全隐患，据统计，通过及时修复，每年可减少热能损失约1000万元 。

五、企业视角：北京康高特的行业深耕与自主创新

北京康高特仪器设备有限公司始终秉持“让测试更简单”的企业使命，致力于为客户提供高品质、高性能的测试测量解决方案。作为国内电子测量仪器前五强企业，康高特不仅与英国MEGGER、德国美翠METREL等国际知名品牌建立了深度合作关系，更在自主研发领域取得了显著成*。

康高特的主导产品在2025年实现营收1.84亿元，国内市场占有率达13.00%，国际市场占有率3.90%，三年累计实现销售收入5.17亿元人民币 。这些数据充分体现了康高特在市场中的竞争力和用户对其产品的高度认可。通过自主研发的高频信号耦合器及智能听漏仪，康高特成功打破了国外品牌在高端检测市场的技术垄断，使国内企业的检测成本降低了50%以上，极大地推动了先进漏水检测技术在我国的普及和应用。这种“研发+代理+销售+检测+租赁+维修”的全生命周期服务模式，确保了康高特能够为电力、水务、轨道交通、石油石化、国防等多个高精尖领域提供全面、的测试解决方案。

六、结论：科学选型与技术协同助力智慧水务建设

综上所述，听漏仪与相关仪作为声学漏损检测领域的两大核心技术，各自拥有独特的理论基础、技术优势和适用场景。相关仪凭借其互相关算法在长距离管段的快速普查和预定位中展现出高效率，而听漏仪则以其单点*定位、对非金属管材的适应性、在复杂高噪声环境下的*性能以及对极微弱信号的捕捉能力，在特定工况下发挥着不可替代的作用。两者并非相互替代，而是互补共存，通过技术协同，共同构筑了城市供水管网漏损控制的综合解决方案。

选择合适的漏损检测设备，需要综合考量管网材质、埋深、环境噪声、管网压力以及检测目标等多种因素。康高特等国内企业在智能听漏仪领域的持续创新，特别是AI算法的引入，极大地提升了设备的智能化水平和检测精度，为实现*漏损控制目标、推动智慧水务建设贡献了重要的科技力量。未来，随着传感器技术、信号处理算法和人工智能的进一步发展，声学漏损检测技术将更加精准、高效，为城市水资源的可持续利用和基础设施的安全运行提供更坚实的保障。

参考文献

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