爆破震动能量特性研究.pdf
第3 3 卷第4 期 爆破 V 0 1 .3 3N o 4 2 0 1 6 年1 2 月B L A S T I N G D e c .2 0 1 6 d o i 1 0 .3 9 6 3 /j .i s s n .1 0 0 1 4 8 7 X .2 0 1 6 .0 4 .0 0 4 爆破震动能量特性研究木 孙新建1 ’2 ,张亮1 ,曾亚平1 1 .青海大学,西宁8 1 0 0 1 6 ;2 .清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京1 0 0 0 8 4 摘要 以工程实测爆破震动信号为分析对象,使用E E M D 信号分析方法将爆破震动信号分解得到多个 固有模态 I M F 分量,在时域、频域进行H i l b e r t 变换求出I M F 分量的H i l b e n 能量,对比分析各I M F 分量能量 在总能量中所占百分比,研究爆破震动能量在频域、时域的分布规律。在频域能量主要集中在5 ~4 0H z 内, 该频带内的能量占总能量的9 7 .5 5 %,在高频和低频能量分布较少,其中大于4 0H z 部分能量占总能量的 2 .2 %,小于5H z 部分能量占总能量的0 .2 5 %,表明爆破震动能量是集中分布在某个较窄频带范围内。在时 域能量主要集中在0 .1 ~1 .0S 范围内,其中,时域的高频能量震动作用时间短、低频能量震动作用时间长, 从而揭示了爆破震动强度相同条件下频率越低危害性越大。 关键词爆破震动;H i l b e r t 能量;频域;时域;E E M D - H H T 中图分类号0 3 8 2文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 6 0 4 0 0 2 2 0 5 R e s e a r c ho fE n e r g yC h a r a c t e r i s t i c so fB l a s t i n gV i b r a t i o n S U N X i n - j i a n l ”,Z H A N GL i a n 9 1 ,Z E N GY a - p i n 9 1 1 .Q i n g h a iU n i v e r s i t y ,X i n i n g8 1 0 0 1 6 ,C h i n a ;2 .S t a t eK e yL a b o r a t o r yo f H y d r o s c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ,T s i n g h H aU n i v e r s i t y ,B e i j i n g1 0 0 0 8 4 ,C h i n a A b s t r a c t T h em o n i t o r i n go fb l a s t i n gv i b r a t i o ns i g n a l si nr o c km a s s e si sd e c o m p o s e di n t os e v e r a lI M Fc o m p o - n e n t sb ya n a l y z i e a lm e t h o do fE E M D .I nt h et i m ea n df r e q u e n c yd o m a i n ,t h eH i l b e r te n e r g yo fI M Fc o m p o n e n t si so b - t a i n e db yH i l b e r tt r a n s f o r m a t i o n .T h r o u g hc o m p a r a t i v ea n a l y s i so fv a r i o u sp r o p o r t i o n so fI M Fc o m p o n e n te n e r g yi nt o - t a le n e r g yo ft h eo r i g i n a ls i g n a l ,t h ed i s t r i b u t i o nr e g u l a r i t i e so fb l a s t i n gv i b r a t i o ns i g n a le n e r g yi nf r e q u e n c ya n dt i m e d o m a i nc a nb es t u d i e d .E n e r g yi nt h ef r e q u e n c yd o m a i ni sm a i n l yc o n c e n t r a t e di nt h er a n g eo f5 4 0H z 9 5 .5 5 % w i t hs m a l la m o u n to fd i s t r i b u t i o ni nh i g hf r e q u e n c y 2 .2 % a n dl o wf r e q u e n c y 0 .2 5 % .F o rt i m ed o m a i n ,e n e r g y i sm a i n l yc o n c e n t r a t e di nt h er a n g eo f0 .1 ~1 .0s .T h et i m eo fh i g hf r e q u e n c yv i b r a t i o ne n e r g yi ss h o r t .w h i l et h eo n e o fl o wf r e q u e n c ye n e r g yi sl o n g ,w h i c hi n d i c a t e st h a ti nt h es a m eb l a s t i n gv i b r a t i o ne n e r g y ,t h el o w e rt h ef r e q u e n c yi s , t h eg r e a t e rd a m a g eo fb l a s t i n gw i l lb e . K e yw o r d s b l a s t i n gv i b r a t i o n ;H i l b e r te n e r g y ;f r e q u e n c yd o m a i n ;t i m ed o m a i n ;E E M D - H H T 目前,对爆破震动信号能量分析主要有小波和 E M D .H H T 等方法‘1 。6 1 。小波分析效果与基函数密 切相关,这使其从本质上未摆脱F o u r i e r 变换‘7 | , E M D .H H T 方法是信号分析的重大突破,它将信号 收稿日期2 0 1 6 0 8 1 0 作者简介孙新建 1 9 7 6 一 ,男,山东鄄城,博士后、副教授,主要从 事爆破震动安全研究, E m a i l s x j 0 0 0 9 1 8 s i n a .t o m 。 基金项目国家重点基础研究发展计划 9 7 3 项目 2 0 1 5 C B 0 5 7 9 0 4 按频率的高低逐次分解为多个固有模态I M F 分量, 但易产生模态混叠问题1 ,从而影响分析效果。为 解决模态混叠问题,W uz 和H u a n gNE 等提出总体 平均经验模态分解,即E E M D 一1 ,E E M D .H H T 相对 E M D H H T 而言更先进,目前广泛应用到爆破振动 信号滤波、机械诊断、电力故障诊断、海上风机结构 模态识别等各个领域中,并取得了卓越成果[ 1 0 。1 6 ] , 其对于非线性、非平稳爆破震动信号的分析更具有 万方数据 第3 3 卷第4 期孙新建,张亮,曾亚平爆破震动能量特性研究 优越性。 能量综合体现了爆破震动的强度、频率、持续时 间三要素,因此,从H i l b e r t 能量的角度分析爆破震 动信号能够紧扣问题的本质。对爆破震动信号能量 在频带上的分布特性进行分析研究,揭示爆破震动 信号能量在频域、时域的分布规律,从而为岩体爆破 震动效应安全评估提供可靠理论依据。 1 E E M D 分解 E E M D 分解方法是以有限个自噪声序列在时域 整体进行平均时相互抵消为理论依据,在原信号中 多次加入白噪声序列并由E M D 多次分解后,得到每 个固有模态分量I M F 的“集体”,将各个分量I M F 的 “集体”取均值,根据零均值特性白噪声序列组在平 均的过程中相互抵消,得到真实分量。 E E M D 分解方法如下归J 1 将正态分布的白噪声W i t 加入到信号 X t 中,得到信号X i t ,并归一化处理,其中W i t 与X t 等长度,另外,白噪声与分析信号标准差比 值为0 .1 0 .4 。 2 采用E M D 方法对置 t 进行分解,得c i i t 分量与余项r i t 。 3 加入Ⅳ次不同的白噪声序列,每次都重复 步骤1 、2 。 4 将各分量c i i t 进行整体平均来消除多次 加入的白噪声,最终求得分量为 . Ⅳ q £ 面1 ∑c i 1 ‘’i 【 式中,Ⅳ为白噪声序列加入分析信号中的次数, 白噪声对分析信号影响的统计规律 e 口/√Ⅳ或I ne 0 .5 aI nN 0 2 式中a 为白噪声幅值;e 为重构信号与原信号 之间的偏差。由式 2 可看出,若a 为定值,偏差e 大小与Ⅳ成反比;但a 值过小,会导致信噪比过高, 因此,a 只要取值适中就可包括所有可能。 2H i l b e r t 能量计算方法 爆破震动信号经E E M D 分解后,得到一组固有 模态函数分量,并对每个分量依次进行H i l b e r t 变换 后得到原信号的H i l b e r t 谱,在频域对其幅值的平方 进行积分,可得到瞬时能量 r t 0 2 I E t I 酽 £,,t d ∞ 3 J 1 0 I 同理,对H i l b e r t 谱幅值的平方在时域内进行积 分得到原信号的边际能量 , E S ∞ { ,铲 ∞,t d ∞ 4 J U 对瞬时能量,E 在时域、边际能量E S 在频域进 行积分可得到信号的总能量,如式 5 、式 6 所示, 两种方法求得结果相同。 r t E JI E t d ∞ 5 J O E IE s c E , d ∞ 6 .t O 3 爆破震动信号能量频域、时域分析 黄河上游某水电站工程坝肩梯段开挖实测竖向 爆破震动信号B 如图1 一图4 所示,该信号经E E M D 分解后得到c l ~c 1 2 模态分量,分量如图5 ~图 6 所示;由式 3 、 4 求出原信号及各分量的瞬时 能量、边际能量,如图3 ~图4 所示;再由A R 模型谱 估计法求出其功率谱,如图2 所示;由式 5 或 式 6 求各分量及原信号的能量,研究各分量在爆 破震动能量中所占比例。 f 帕 ● 昌 。 髓 制 f Z ● 昌 3 、 { 醚 龆 艇 瓣 雷 0O .20 .40 .60 .8 1 .O1 .21 .4 时间,s 图1 时程曲线 F i g 。1 T i m eh i s t o r ycurve O 1 0 2 03 0 4 05 06 07 08 0 频率/H z 图2 功率谱 F i g .2 P o w e rs p e c t r u m O 5 0 5 O 5 O 5 O m 7 , 2 之 巧 。 加 6 5 4 3 2 1 O O 0 O O O 万方数据 爆破 2 0 1 6 年1 2 月 q - - 砷 芦 吕 3 硼 捉 时间,s 图3 瞬时能量谱 F i g .3 I n s t a n t a n e o u se n e r g ys p e c t r u m f 啦 “● g 3 栅 龊 0 .5 0 .4 O1 02 0 3 04 05 06 0 频率/H z 图4 边际能量谱 F i g 。4M a r g i n a le n e r g ys p e c t r u m J i [ I i .I i i i ii-i i i 二二二二 00 .20 .40 .6 0 .81 .01 .2 d ;l .卜一 00 .20 .4 0 .60 .81 .01 .2 。;} - 卜一 一7L ....................J ....................J .....................L ............- .......j .....- - .............j ............- - ....J ....- - - - - 一 O0 .20 .40 .60 .81 .01 .2 5r d 一0 ;1 I ....二二二二 。卜伽价州M 叫‰旷儿~~。o 卜州州~枷州W \M M 川卜~ 一EL ...- - - ........- J L - - - - - - - - - - - - - - - J - - - - - - - - - - - - - - - J - - - - - - - - - - - - - - - - - J - - - - - - - - - - - - I - - - - - - - - - - - - - - - I - - - - - - - 一 1 0r 。o 卜/v 扩~1 /\M /、广~,、~ .1 0I..................,.-....................J....................J....................JL.........。..........L....................1......一 图5c l c 6 分量 F i g .5 T h ec l c 6c o m p o n e n t 3 .1 信号能量频域特性分析 为研究爆破震动能量在频域的分布情况,对实 测信号曰及c 1 一c 1 2 分量的主频、能量频带、能量及 各分量能量所占总能量的百分比进行统计,结果见 表1 。 分析表1 可知,c l c 1 2 分量主频逐次降低,能 量频带也随之收窄;爆破震动能量主要集中在5 ~ 4 0H z 内,c 5 一c 8 分量能量频带也在6 4 0H z 范围 内,它们的能量和占总能量的9 7 .5 5 %。c l c 4 分 量能量频带主要在4 0 1 8 0 0H z 范围内,它们的能 量和占总能量的2 .2 %。c 9 ~c 1 2 分量能量频带在 0 ~5H z 范围内,它们的能量和占总能量的0 .2 5 %。 这说明爆破震动能量在低频和高频分布较低,能量 主要集中在5 ~4 0H z 范围内。另外,c 6 分量与信号 B 的主频相接近,并且其能量贡献率达到5 6 .1 %, 所以c 6 分量为最重要分量。其中c 6 分量的时程曲 线及相对应的功率谱、瞬时能量、边际能量如图7 ~ 图1 0 所示。 3 .2 信号能量时域特性分析 为研究爆破震动能量在时域上的分布情况,由 信号曰和c l ~c 1 2 分量的瞬时能量谱,进行统计能 量在时域的分布情况,结果见表2 。 万方数据 第3 3 卷第4 期 孙新建,张亮,曾亚平爆破震动能量特性研究2 5 5 d0 5 l GO l O .2 JO - 0 .2 O .0 5 0 0 一O .0 5 O .0 2 J0 - 0 .0 2 O .1 0 0 一O .1 00 .20 .4 0 .60 .81 .01 .2 00 .20 .40 .60 .81 .0 1 .2 00 .20 .40 .60 .81 .0 1 .2 00 .20 .40 .60 .81 .0 1 .2 0 0 .2 0 .40 .60 .81 .01 .2 00 .20 ,40 .60 .81 .0 1 .2 表1 主频、频带、能量统计 t l s 图6c 7 一c 1 2 分量 F i g .6 T h ec 7 ~c 1 2c o m p o n e n t T a b l e1T h ed o m i n a n tf r e q u e n c y ,f r e q u e n c yb a n d , e n e r g ys t a t i s t i c s 表2 能量在时域分布统计表 T a b l e2T h ed i s t r i b u t i o no fe n e r g yi nt i m ed o m a i ns t a t i s t i c s 信号时问范围/s信号时间范围/s 曰O .1 ~1 .0c 7O .1 1 .2 c lO .5 9 ~0 .6 2c 8 0 .2 ~1 .3 c 2O .5 9 0 .6 2c 90 .0 2 1 .3 5 c 3O .5 9 _ 0 .6 2c 1 00 .0 1 .3 5 c 40 .4 2 0 .9 2c 1 10 .0 ~1 ,3 5 c 5O .2 2 一O .9 5c 1 20 .0 1 .3 5 0 5 0 .1 1 .0 - 2 4 - 6 00 .20 .40 .60 .81 .01 .21 .4 时间,s 图7c 6 分量时程曲线 F i g .7T i m eh i s t o r yc u r v eo fc 6c o m p o n e n t O .4 0 一0 .3 5 鲎o .3 0 “g 0 2 5 吾0 .2 0 镩0 .1 5 艇 褥0 .1 0 嚣0 .0 5 0 F i g .8 l O 2 03 04 05 0 频率/H z 图8c 6 分量功率谱 P o w e rs p e c t r u mo fc 6c o m p o n e n t 一【-∞.g。一、越斛 万方数据 爆破2 0 1 6 年1 2 月 p 田 ● 年 昌 3 删 涩 嚣 瞽 [ 2 ] [ 2 ] 时间/s 图9c 6 分量瞬时能量谱 [ 3 ] F i g .9 I n s t a n t a n e o u se n e r g ys p e c t r u mo fc 6c o m p o n e n t O .5 ,0 .4 “目0 .3 袭o .2 篮 羽0 .1 0 5l O1 52 02 5 3 03 54 0 频率,H z 图1 0c 6 分量边际能量谱 F i g .1 0M a r g i n a le n e r g ys p e c t r u mo fc 6c o m p o n e n t 由表2 分析可知,在时域c 1 一c 3 分量能量分布 集中,历时短;c 4 一c 8 分量能量主要集中在0 .1 ~ 1 .0s 范围内,且c 6 分量与原信号B 的能量在时域 分布基本一致;c 9 一c 1 2 分量能量分布整个时域。 这表明高频分量震动持续时问短,低频分量震动持 续时间长。 4结语 通过对实测爆破震动信号进行E E M D 分解,利 用H i l b e r t 变换方法求得各I M F 分量及原信号的 H i l b e r t 能量,在频域对爆破震动能量进行分析研究 得出在高频和低频能量分布较少,而能量主要集中 分布在5 ~4 0H z 范围内,表明爆破震动能量是集中 分布在某个较窄频带范围内。在时域,高频分量爆 破震动持续时间短,低频分量震动持续时间长,从而 揭示了爆破震动强度相同条件下频率越低危害性 越大。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ]陈银鲁.爆破震动信号的能量分析方法及其应用研究 [ 3 ] [ 4 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 7 ] [ 8 ] [ D ] .杭州浙江大学,2 0 1 0 . 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