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段药量对爆破振动信号时频特性的影响研究

2020-12-08 来源:步旅网
振动与冲击 第31卷第7期 J0URNAL OF VIBRATION AND SHOCK V01.31 No.7 2012 段药量对爆破振动信号时频特性的影响研究 赵明生 ,梁开水 ,李本伟 (1.贵州新联爆破工程有限公司,贵州贵阳550002; 2.武汉理工大学资源与环境工程学院,武汉430070,3.中钢集团武汉安全环保研究院,武汉430081) 摘 要:为研究段药量对爆破振动信号时频特性的影响,进行不同段药量的单孔爆破振动试验。基于实测数据, 利用小波分析和AOK时频分布相结合的方法,对不同段药量的爆破振动信号在不同频带内展开,并以频带能量比、频带 能量持续时间为指标,研究段药量对爆破振动信号时频特性的影响。结果表明,段药量对爆破振动信号时频特性影响很 大:随着段药量的增加,爆破振动信号的低频能量所占总能量的比例增加且频带能量的持续时间相应延长。研究成果可 揭示段药量对爆破振动信号时频特性的影响,并为从能量的角度进行抗振、降振的研究提供分析基础。 关键词:爆破振动;段药量;AOK时频分布;小波分析;时频特性;能量特性 中图分类号:0389;TD235.1 文献标识码:A Influence of deck charge on time-frequency characteristics of a blasting vibration signal ZHAO Ming—sheng ,LIANG Kai—shui ,LI Ben—wei (1.Guizhou Xinlian Blast Engineering Limited Corp,Guiyang 550002,China; 2.School of Resource and Environment Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,China; 3.Sinosteel Wuhan Safety&Envirenmental Protection Research Institute,Wuhan 430081,China) Abstract: In order to study the influence of deck charge on time-frequency characteristics of blasting vibration signals,single—hole blasting tests with different deck charges were conducted.Based on the measured data,using the combined method of wavelet analysis and AOK time—frequency distribution to expand the blasting vibration signals with different deck charge in different frequency band,and using band energy ratio and band energy duration as indexes,the influence of deck charge on time—frequency characteristics of blasting vibration signals was analyzed.The results showed that deck charge has large effects on time一 ̄equeney characteristics of blasting vibration signals;with increase in deck charge,the proportion of lower frequency energy in total energy increases and band energy duration extends.The results provided a basis for studying the influence of deck charge on time一 ̄equency characteristics of blasting vibration signals, anti—vibration and vibration reduction. Key words:blasting vibration;deck charge;AOK time—frequency distribution;wavelet analysis;time—frequency characteristics;energy characteristics 爆破振动信号时频分析的目的是揭示爆破振动信 微差时间、段药量以及抵抗线下爆破振动信号的主频 号的时频特性,为降低爆破振动的危害提供依据。许 特性及微差时间对叠加信号能量的影响进行了研究。 多学者研究了不同参量下爆破振动信号的时频特性, 目前对非平稳信号时频特性分析主要有3种方 其中林大超¨J、中国生 J、张丹 J、凌同华 4 等利用小 法:线性时频分析、双线性时频分析与自适应最优核时 波及小波包分析技术对不同爆心距、总药量、段药量、 频分析(AOK,Adaptive Optimum Kernel Time—Frequency 微差雷管段数下爆破振动信号的能量分布进行了研 Representation)。其中线性时频分析包括短时傅里叶 究,史秀志_5 J、赵明生 等利用RSPWVD(重排的伪平 变换(STFT,Shoa Time Fourier Transform)、连续小波变 滑Wigner—Vil1分布,Rearrangement of Pseudo Smooth 换(CWT,Continuous wavelet transform)、S(S Transform) Wigner—Ville Distribution)二次型时频分析方法对不同 变换等,双线性时频分析包含Wigner Ville分布(WVD, Wigner.Ville Distribution)、Choen类时频分布等 。时 基金项目:中央高校基本科研业务专项资金资助(2010一Ia一060) 频分析方法的时频分辨能力和分辨精度是其应用基 收稿日期:2010—12—27修改稿收到日期:2011—02—25 础,文献[7—9]研究表明,AOK时频分布使每一个瞬 第一作者赵明生男,博士生,1982年生 时间隔的核函数形状能够适应于在时频平面,从而最 86 振动与冲击 2012年第31卷 大程度的集中能量,同时最大限度的抑制交叉项,所以 该方法较线性时频分析与双线性时频分析更为准确, 另外此方法同样具有信号能量在时间一频率上联合分 布的明确物理意义,因此该方法是适合于非平稳信号 时频特性分析的最佳方法。 对爆破振动信号进行分析时,与建筑物固有频率 相接近的频段为重点关注对象。由于频带能量的大小 能直接反映相应频带振动分量的强度,从而可获取建 筑物对不同频带振动分量的响应特性;能量持续时问 与结构的低周期疲劳破坏积累效应以及结构非弹性破 坏有关,因此对不同参量下爆破振动信号频带能量比、 能量持续时问的研究就显得极为重要。由于段药量是 影响爆破振动信号时频特性的重要因素,对此研究可 详细解读不同段药量下爆破振动信号的时频特性,对 于控制爆破振动危害有着重要的意义。因此本文基于 实测数据,利用AOK时频分析与小波分析相结合的方 法,对不同段药量下爆破振动信号各频带的能量比及 能量持续时间进行研究。 1爆破振动信号的小波分析 小波变换对高频信号具有较高的时间分辨率和较 低的频率分辨率;对低频信号具有较高的频率分辨率 和较低的时间分辨率。小波变换的特性满足了对爆破 振动信号这种多刻度特征信号进行时频定位的要求, 适合于爆破振动信号分析。小波分析得到的信号频带 是按指数等间隔划分的,若设被分析信号的频率范围 为(0,w),则其经一层分解后被分成低频a1(0,w/2)和 高频d1(w/2,W)两部分;第二层小波分解则是对第一 层分解后的低频部分a1(0,w/2)进行进一步分解,得 到低频a2(0,w/4)和高频d2(w/4,w/2)两部分;以此 类推,分解n次即可得到n层的小波分解结果。小波 分析以严密的数学理论和数值计算方法为基础,相关 数学原理 不再赘述。 2 AoK时频分布 单一固定的核函数不能适应各类信号的时频分 析,而核函数随信号不同而变化的自适应时频分布具 有重要意义。AOK时频分布就是采用短时模糊函数和 随时间变化的自适应核函数能在时频分布中区分出多 分量信号的细节部分,文献[7—9]详细介绍了自适应 最优核时频分布的推导过程。信号S(t)的AOK时频 分布定义为: PAD £.n 1 r+∞r+∞ I J A( ;0, ) 。p!(t;0, )e-jor-jf ̄dOdr(1) II J~d 式中,A(0,丁)为信号s(t)的短时模糊函数, (t;0, )为最优化核函数,其中0为模糊函数的极坐标角度, 为时问间隔 厂为频率。 信号S(t)的能量E等于P4。 . 沿时间、频率两轴 的双重积分,即: 1 r+∞,+∞ E: J厶 IJ J一∞ J一∞ f PA (t dtaf (2) 对于离散信号: E=∑∑e(f=1 f=1 t, (3) 式中,e(t 是谱图在任意点的能量;t=1,2,…n,凡为 时间点数;I厂=1,2,…m,m为频率点数,由式(2)可知, AOK时频分布是信号能量在时间、频率二维空间上的 分布,具有信号能量在时问一频率上联合分布的明确 物理意义 。 3信号的选取与处理 3.1信号的选取 为分析段药量对爆破振动信号时频特性的影响, 需排除爆心距、抵抗线、微差雷管段数、场地因素等条 件的影响,选取在某项目1#还房小区场地平整工程进 行爆破振动试验。该试验场地主要以茅口组灰岩为 主,岩石普氏系数为8—10,岩石完整,岩性相同。对试 验孔孔径为140 mm进行单孔爆破,装药量为20 kg、28 kg、55 kg、75 kg,堵塞长度均为3.5 m,孔深为5 m、5.5 Ill、7.8 in、9 in。由于垂向的振动分量垂直于地表,仪器 安装易于控制、人为干扰因素较少,文献[11]研究也表 明垂向更能准确反映出爆源参量、传播介质的变化,因 此选取爆心距均为45 m处的垂向信号为分析信号(由 于药包形状为柱状,药包长度会引起尺寸效应,在本次 试验中尺寸效应导致爆心距相差最大值为0.23 m,因 此分析中并未考虑),分别记为s1、s2、s3、s4,其信号图 见图1 一一一一图1实测信号 图2信号s1各频带重构波形 Fig.1 Practical signal Fig.2 Reconfiguration waveform of signal sl frequency bands 3.2信号的小波分析 将信号进行小波分析时,分解的层数视具体信号 及采用的爆破振动记录仪的工作频率而定。实测数据 采用成都中科EXP4850爆破振动测试仪进行现场测 试,其爆破振动记录仪的最小工作频率为1 Hz,由于爆 一一第7期 赵明生等:段药量对爆破振动信号时频特性的影响研究 破振动信号的主频一般在200 Hz以下,根据采样定理, 信号的采样频率设2 000 Hz,则其奈奎斯特频率为 1 000 Hz[ 。E=Ei/Eo X 100% n+1 (4) 因此,用db8[_1 小波基将信号进行7 式中,E。=∑E ;几为小波分解的层数。 3.3各频带重构信号的信号AOK分析 层分解,得到8个频带a7、d7、d6、d5、d4、d3、d2、d1(0~ 7.812 5 Hz、7.8125~15.625 Hz、15.625~31.25 Hz、 31.25~62.5 Hz、62.5~125 Hz、125~250 Hz、250~ 以信号s1为例,将小波分解重构后的信号进行 AOK时频分析(128 X128点高斯窗,径向高斯核,取核 500 Hz、500~1 000 Hz)的分解系数,再将不同频带的 函数体积13/=2 ),得到各频带的时频等高线及三维 谱见图3。由图3可见,用AOK时频分布和小波分析 相结合的分析方法,可以将信号的时频特性在不同频 带内展开,能得到不同频带能量的大小及持续时间,可 分解系数重构,重构信号见图2。 . 由此,根据式(3)可以计算出各频带的能量E ,各 频带能量百分比为: 详细获取爆破振动信号时频特性的细节信息。 ≯ ■ — ‘ (a)a7频带 (b)d7频带 (C)d6频带 (d)d5频带 (0 d3频带 图3信号s1各频带重构信号三维谱 Fig.3 Reconfiguration signal 3一D spectrum of signal sl ̄equeney bands 4段药量对爆破振动信号时频特性的影响 分析 盎 —— 罗 由于频带能量的大小直接反映了相应频带振动分 /, 潺 犟  ,强 — .…№ 量的强度,从而可获取建筑物对不同频带振动分量的 a7 d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 响应特性;能量的持续时问与结构的低周疲劳破坏的 频 特 积累效应以及结构非弹性破坏有关,因此文中以频带 图4不同段药量爆破振动信号频带能量比 能量比和频带能量持续时间为指标,研究不同条件下 Fig.4 Band energy ratio of blasting 爆破振动信号的时频特性。首先将信号s1、s2、s3、s4 vibration signal with different deck charge 进行7层小波分解并重构,然后对重构信号进行AOK 时频分析,得到各信号的时频等高线及三维谱,利用式 (2)求解出分析信号的各频带能量,再利用式(3)得到 各信号的频带能量比。为比较不同段药量下爆破振动 信号时频特性,统计不同段药量下爆破振动信号频带 能量比、频带能量持续时问于图4、图5。 a7 d7 d6 d5 d4 d3 d2 dl 频带 由图4、图5可见: (1)爆破振动信号的优势能量主要集中在0~125 图5不同段药量爆破振动信号频带能量持续时间 Hz频段,能量最大值出现在主频所在的频带,高频部 Fig.5 Band energy duration of blasting 分能量所占比例较小,但仍有分布。 vibration signal with different deck charge 88 振动与冲击 2012年第31卷 (2)随着段药量的增加,爆破振动信号低频所占 的能量比例增大,由于此部分频率更接近于建筑物的 固有频率,因此其破坏作用可能变得更大。 (3)爆破振动信号不同频带能量的持续时间不 振动信号能量分布的影响[J].爆炸与冲击,2009,29(3): 300—305. [3]张丹,段恒建,曾福洪.分段爆破地震强度的试验研究 [J].爆炸与冲击,2006,26(3):279—284. [4]凌同华,李夕兵,王桂尧,等.爆心距对爆破振动信号频带 同,此试验条件下频带能量的持续时间由低频向高频 逐渐变短,而频率为500~1 000 Hz的高频部分能量持 续时间又较长几乎为整个爆破振动的时间历程,这是 能量分布的影响[J].重庆建筑大学学报,2007,29(2):53 —55. [5]史秀志,田建军,王怀勇.冬瓜山矿爆破测试数据回归与时 频分析[J].爆破,2008,25(2):77—80. [6]赵明生,张建华,易长平.基于单段波形叠加的爆破振动信 号时频分析[J].煤炭学报,2010,35(8):1279—1282. 由于噪声主要分布在高频部分,且伴随在整个爆破振 动过程中。 (4)随着段药量的增加不同频带能量的持续时间 均有所延长,使结构的低周疲劳破坏的积累效应增强, 显然不利于建筑物的安全。 [7]刘喜武,张宁,勾永峰,等.地震勘探信号时频分析方法 对比与应用分析[J].地球物理学进展,2008,23(3):743 —753. 5 结论 [8]张子瑜,陈进,史习智,等.径向高斯核函数时频分布及 在故障诊断中的应用[J].振动工程学报,2001,14(1):53 59. 利用AOK时频分布与小波分析相结合的方法,基 于MATLAB软件信号分析处理平台,对不同段药量下 爆破振动信号进行了时频特性分析,研究了不同段药 量下爆破振动信号频带能量占总能量的百分比、频带 能量持续时间的分布规律,详细解读了不同段药量下 [9]王晓凯,高静怀,何洋洋.基于时频自适应最优核的时频 分析方法[J].系统工程与电子技术,2010,32(1):22 —26. [10]飞思科技产品研发中心.MATLAB辅助信号处理技术与应 用[M].北京:电子工业出版社,2005. [11]张义平,王永明.台阶表面水介质对爆破地震波传播影响 研究[J].矿业研究与开发,2009,29(3):75—77. [12]叶海旺,石文杰,王二猛.金堆城露天矿生产爆破合理微 差时间的探讨[J].爆破,2010,27(1):96—99. [13]费鸿禄,马诺诺.坝基开挖爆破振动频带小波能量分析 [J].爆破,2010,27(3):99—104. [14]林键,林从谋,林丽群.爆破振动荷载作用下3—4层房 爆破振动信号的时频特性,研究成果可揭示段药量对 爆破振动信号时频特性的影响,并为从能量的角度进 行抗振、降振的研究提供分析基础。 参考文献 [1]林大超,施惠基,白春华,等.基于小波变换的爆破振动时 频特征分析[J].岩石力学与工程学报,2004,23(1):101 —屋结构响应测试研究[J].振动与冲击,2010,29(3):48 —106. 53 [2]中国生,敖丽萍,赵奎.基于小波包能量谱爆炸参量对爆破 (上接第73页) Munitions with Structures,1997:195—208. 3结论 [3]Binggelied A B.The use of the LS 2000一DESIGN CHARTS or predictifons of air blast loading in tunnels due to HE— 本文以模型试验为基础,根据量纲理论,考虑炸药 质量、坑道直径和冲击波在坑道内的传播距离等主要 detonations at the tunnel entrance[C].Mclean Virginia: Proceeding of the 9th International Symposium on Interaction of the Effects of Munitions with Structures,1999. 因素,确立了预估B炸药在直坑道口部内爆炸时冲击 波传播速度的工程模型。 对比表明,冲击波速度模型计算结果与试验实测 [4]杨科之,杨秀敏.坑道内化爆冲击波的传播规律[J].爆炸 与冲击,2003,23(1):37—4O. 值吻合度较高,模型具有一定推广价值。模型试验为 今后进一步研究坑道中冲击波现象积累了宝贵的基础 数据。 参考文献 [5]林大超,白春华,张奇.空气中爆炸时爆炸波的超压函数 [J].爆炸与冲击,2001,21(1):41—46. [6]庞伟宾,何[7]王翔,李茂生.空气冲击波在坑道内走时规律的 实验研究[J].爆炸与冲击,2003,23(6):573—576. 来,李延春.直角拐角中空气冲击波的传播及数值模 拟[J].自然灾害学报,2004,13(4):146—150. 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