مدلسازی انتشار آکوستیکی و تشخیص سیگنال نشتی با استفاده از روش آکوستیک غیر فعال در خلیج فارس

پذیرفته شده برای ارائه شفاهی ، صفحه 1-12 (12)

کد مقاله : 1093-ISAV2022 (R3)

نویسندگان

علی اصغر علیزاده ¹ ، عبدالرضا اوحدی همدانی ² ، محمد زارعی نژاد ³

¹دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

²Acoustics Research Lab., Mechanical Engineering Department, Amirkabir University of Technology

³پژوهشکده فناوری های نو، دانشگاه صنعتی امیرکبیر

چکیده

تشخیص نشتی گاز در بستر دریا از اهمیّت بسزایی برخوردار است و به منظور نظارت طولانی مدت بر نشتی گاز، مسأله‌ی تشخیص و انتشار آکوستیکی سیگنال نشتی با استفاده از روش آکوستیک غیر فعال مورد بررسی قرار می‌گیرد. در پژوهش حاضر، اثرات نویز محیطی اعم از نویز سطح دریا و نویز کشتی بر روی تشخیص نشتی گاز مورد ارزیابی قرار گرفته و حداکثر فاصله ممکن هیدروفون از محل نشتی جهت تشخیص سیگنال در دو مطالعه‌ی موردی دریای شمال و خلیج فارس بررسی می‌شود. انتشار آکوستیکی زیر آب با استفاده از نرم‌افزار "بل‌هاپ" شبیه‌سازی می‌شود، تا میدان فشار آکوستیکی در محیط زیر دریا بصورت دقیق پیش‌بینی گردد. چندین سناریوی مختلف برای نرخ جریان گاز ارائه شده است که آستانه تشخیص را هنگامی که هیدروفون در فواصل مختلف از محل گریز گاز در بستر دریا و در تقابل با منابع نویز قرار دارد، نشان می‌دهد. در پژوهش پیش‌رو نشان داده شده است که با توجه به شرایط محیطی و پروفیل سرعت صوت، مقدار افت انتقال در خلیج فارس نسبت به دریای شمال بیشتر است و لذا تشخیص سیگنال نشتی در خلیج فارس با چالش بیشتری همراه خواهد بود. از طرفی در مطالعه موردی دریای شمال، امکان تشخیص سیگنال نشتی در نرخ‌های جریان 2 لیتر بر دقیقه (در فاصله حداکثر 5/0 متری از محل نشتی) و 4 لیتر بر دقیقه (در فاصله حداکثر 4 متری از محل نشتی) وجود دارد، اما با توجه به مقدار افت انتقال بیشتر در خلیج فارس، این امکان فقط در فاصله حداکثر 4 متری از محل نشتی با نرخ جریان 4 لیتر بر دقیقه در خلیج فارس وجود دارد و در شارهای پایین‌تر جریان، تشخیص سیگنال نشتی در حضور نویزهای محیطی امکان‌پذیر نمی-باشد.

کلیدواژه ها

سیگنال نشتی؛ آکوستیک غیر فعال؛ تشخیص مبتنی بر آستانه؛ Bellhop

Title

Acoustic propagation modeling and detection of leakage signal using passive acoustic method in the Persian Gulf

Authors

Aliasghar Alizadeh, Mohammad Zareinejad

Abstract

Detection of gas leaks in the seabed is very important and in order to monitor gas leaks for a long time, the problem of detection and acoustic propagation of the leak signal is investigated using the passive acoustic method. In the current research, the effects of environmental noise including sea surface noise and ship noise, on the detection of gas leaks are evaluated and the maximum possible distance of the hydrophone from the leak location to detect the signal is studied in two case studies of the North Sea and the Persian Gulf. Underwater acoustic propagation is simulated using "Bellhop" software, to accurately predict the acoustic pressure field in the underwater environment. Several different scenarios for the gas flow rate are presented, which show the detection threshold when the hydrophone is located at different distances from the gas escape location on the seabed and in opposition to noise sources. In this research, it has been shown that due to the environmental conditions and the sound speed profile, the amount of propagation loss in the Persian Gulf is higher than that in the North Sea and therefore the detection of leakage signal in the Persian Gulf will be more challenging. On the other hand, in the North Sea case study, it is possible to detect the leakage signal at flow rates of 2 liters per minute (at a maximum distance of 0.5 meters from the leakage location) and 4 liters per minute (at a maximum distance of 4 meters from the leakage location), but due to the higher propagation loss in the Persian Gulf, this possibility exists only at a maximum distance of 4 meters from the leakage location with a flow rate of 4 liters per minute in the Persian Gulf, and at lower flow rates, the detection of leak signal is not possible in the presence of the environmental noises.

Keywords

Leakage Signal, Passive Acoustics, Threshold Based Detection, Bellhop

مراجع

1. T. G. Leighton, The acoustic bubble, Academic Press, London, 1994. 2. M. A. Ainslie, T. G. Leighton, “Near resonant bubble acoustic cross-section corrections, including examples from oceanography, volcanology, and biomedical ultrasound”, The Journal of the Acoustical Society of America 126, 2163–75 (2009). 3. V.O. Knudsen, R.S. Alford, and J.W. Emling, “Underwater ambient noise”, Journal of Marine Research 7, 410 (1948). 4. D. Betteridge, M.T. Joslin, and T. Lilley, “Acoustic emissions from chemical reactions”, Analytical Chemistry 53, 1064 (1981). 5. I. Leiferو D. Tang, “The acoustic signature of marine seep bubbles”, The Journal of the Acoustical Society of America 121, 35 (2007). 6. C.A. Greene, P.S. Wilson, “Toward passive acoustic remote sensing of ocean-bottom gas seeps (A)”, The Journal of the Acoustical Society of America 127, 1938 (2010). 7. J. Li, B. Roche, J.M. Bull, P.R. White, J.W. Davis, M. Deponte, E. Gordini and D. Cotterle, “Passive acoustic monitoring of a natural CO2 seep site – Implications for carbon capture and storage”, International Journal of Greenhouse Gas Control 93 (2020). 8. J. Li, P.R. White, B. Roche, J.M. Bull, J.W. Davis, T.G. Leighton, M. Deponte, E. Gordini and D. Cotterle, “Natural seabed gas leakage – variability imposed by tidal cycles”, MTS/IEEE OCEANS 2019 – Seattle, 1–6 (2019a). 9. J. Li, P.R. White, J.M. Bull and T.G. Leighton, “A noise impact assessment model for passive acoustic measurements of seabed gas fluxes”, Ocean Engineering, 294–304 (2019). 10. T.G. Leighton, A.J. Walton, “An experimental study of the sound emitted from gas bubbles in a liquid”, European Journal of Physics 8, 98 (1987). 11. M. Minnaert, “On musical air-bubbles and the sounds of running water”, Philosophical Magazine Series 7, 235–248 (1933). 12. T.G. Leighton, P.R. White, “Quantification of undersea gas leaks from carbon capture and storage facilities, from pipelines and from methane seeps, by their acoustic emissions”, Proc. R. Soc. A 468, 485–510 (2012). 13. F. C. Rodney, “Underwater Acoustic Systems”, MacMillan Education Ltd., London (1990). 14. M. B. Porter, “The Bellhop Manual and User's Guide: Preliminary Draft”, Heat, Light, and Sound Research. Inc., La Jolla (2011). 15. M.A. Ershadi, E. Hasanzadeh, “Temporal and spatial changes of sound speed in the Persian Gulf”, 15th Marine Industries conference, in persian (2013). 16. W. J. Pierson, L. Moskowitz, ‘‘A proposed spectral form for fully developed wind seas based on the similarity theory of S. A. Kitaigorodskii”, J. Geophys. Res. 69, 5181–5190 (1964).