坝基开挖爆破振动频带小波能量分析.pdf
第2 7 卷第3 期 爆破 V o l 2 7N o 3 2 0 1 0 年9 月B L A S T I N G S O p .2 0 1 0 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 0 .0 3 .0 2 9 坝基开挖爆破振动频带小波能量分析宰 费鸿禄,马诺诺 辽宁工程技术大学爆破技术研究院,阜新1 2 3 0 0 0 摘要 结合蒲石河蓄能电站下水库坝基开挖爆破振动监测数据,运用小波分析方法,对爆破振动信号进 行小波多层分解,获得各频带P P V 及爆破振动分量的小波频带能量,通过分析比较,得出此次爆破振动信号 的能量在频域上分布较广泛,但绝大部分能量集中在0 2 0 0H z ,在传播过程中能量迅速衰减;小波频带能量 可以反映爆破振动信号强度、频率和作用时间;并指出爆破振动出现的多子频、多峰值揭示了只采用单个主 振频带来代替整个频域,有欠准确,在未来的研究中应将多主频的影响因素考虑进去。 关键词小波变换;频带;小波频带能量;P P V 中图分类号0 3 8 2 .2文献标识码A文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 0 0 3 0 0 9 9 0 6 W a v e l e tE n e r g yA n a l y s i so fB l a s t i n gV i b r a t i o nF r e q u e n c y B a n dO i lD a mF o u n d a t i o nE x c a v a t i o n F E lH o n g l u .M AN u o r t /z o I n s t i t u t eo fB l a s t i n gE n g i n e e r i n gT e c h n i c a l ,L i a o n i n gT e c h n i c a lU n i v e r s i t y ,F u x i n1 2 3 0 0 ,C h i n a A b s t r a c t T h eb l a s t i n gv i b r a t i o ns i g n a l sb a s e do nm o m t o f i n gd a mf o u n d a t i o ne x c a v a t i o nb l a s t i n go fP u s h i h es t o r - a g es t a t i o nw e r ec a r r i e so u tt h em u l t i l e v e lw a v e l e td e c o m p o s i t i o na n dg o tP P Va n dw a v e l e tf r e q u e n c yb a n de n e r g yo f e v e r yb a n dt h r o u g hw a v e l e ta n a l y s i s .T h r o u g ha n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n ,t h ee n e r g yd i s t r i b u t i o no ft h i sb l a s t i n gv i b r a - t i o ns i g n a lW a sw i d ei nt h ef r e q u e n c yd o m a i n ,b u tt h ev a s tm a j o r i t ye n e r g yc o n c e n t r a t e si nt h er a n g eo f0 2 0 0H z a n da t t e n u a t i n gq u i c k l yd u r i n gp r o p a g a t i n g .T h ew a v e l e tf r e q u e n c yb a n de n e r g yc s nr e f l e c tv i b r a t i o ns t r e n g h t .k q u e n c ya n dt i m e .A n di t i s n o te n o u g ht h a tu s i n go n l ya s i n g l ef r e q u e n c yt a k et h ep l a c eo ft h ew h o l ef r e q u e n c yd o - m a i n .S ow es h o u l dc o n s i d e ri m p a c to fm u l t i p l ef a c t o r so ff r e q u e n e yi nf u t u r es t u d i e s . K e yw o r d s w a v e l e tt r a n s f o r m ;f r e q u e n c yb a n d ;w a v e l e t 在e q u e n c yb a n de n e r g y ;P P V 0 引言 随着爆破理论及工程实践研究的深入,爆破振 动频率对建筑物的影响越来越受到人们的重视。由 于爆破振动信号是一种典型的非平稳随机信号,建 筑物受到时域和频域的双重影响,这就要求我们从 收稿日期2 0 1 0 0 6 一1 7 作者简介费鸿禄 1 9 6 3 一 ,男,教授、博士、博导,主要从事工程爆 破、地下工程方面的教学与研究工作,E m a i l f e i h o n g l u 1 6 3 .c o m 。 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 0 7 7 4 0 4 2 ;辽宁省高等学 校优秀人才支持计划 2 0 0 9 1 { 3 2 ;辽宁省教育厅项目 2 0 0 9 A 3 4 1 振动信号的时一频域进行综合考虑,从而避免单独在 时域或频域中进行分析时所导致的片面性。 近年来,在数值信号分析中得到广泛应用的小 波变换理论在处理非平稳随机信号方面具有十分突 出的特点。它不仅可以给出信号的频谱特征,还可 以给出信号频谱的时间变化特征⋯。目前,国内外 很多学者运用小波分析原理对爆破振动频率进行了 大量的研究工作,得出了许多重要的结论。龙源提 出爆破地震波传播的频率、幅值和持续时间等主要 参数的变化规律以及它们的影响因素忙o ;B l a i rD P 等提出爆破振动幅值随频率范围的扩大而增 大p o ;凌同华、李夕兵指出爆破振动信号能量分布 万方数据 1 0 0 爆破2 0 1 0 年9 月 的不均匀性H 1 ;徐国元、中国生指出得出小波频带 能量与爆破振动的振动强度有关口1 ;张伟指出爆破 地震波对周围建 构 筑物的影响破坏,是各个频带 的能量共同作用的结果,而不是某一个最大能量单 独作用的结果Mo ;曾宪伟通过比较爆破振动信号各 频带时频谱最大值的差异,指出了爆破振动与地震 的不同J 。在前人研究基础上,对其时频特征进行 频带能量分析。 1 爆破振动信号的现场监测 1 .1 工程概况 蒲石河抽水蓄能电站下水库坝基为混和花岗 岩,岩石坚硬,但完整性较差。上部覆盖层厚 l ~5m ,覆盖层下多以弱风化基岩出现。在花岗岩 中穿插有2 条2 4m 宽的闪长玢岩岩脉,岩石新 鲜,较完整,与围岩接触良好。各坝基采用分层梯段 爆破 光面爆破、预裂爆破等 开挖。由于爆破开挖 过程中坝体基建面及浇筑混凝土均需要保护,应对 坝基开挖爆破振动进行质点振动监测,控制爆破对 基建面产生的损伤以及对浇筑混凝土的影响。 1 .2 爆破振动记录仪 此次爆破振动测试使用I D T S 3 8 5 0 爆破振动记 录仪⋯。该仪器可直接与速度或加速度传感器相 连,并将模拟电压量转换成数字量进行存储,两或三 通道并行采集数据,最高采样频率为2 0 0k H z ,A /D 转换分辨率为1 2k H z ,输入量程为4 - 0 .4 ~2 0V , 每通道可分8 段,测量误差小于0 .5 %,采用R S 2 3 2 接口传输数据。该仪器轻便灵巧、坚固、性能稳定, 测试数据准确可靠,分辨率高,操作简便,完全能够 满足这次工程爆破振动监测的要求。 1 .3 监测方案 测点距爆区最近不应小于1 0m ,最远不宜大于 5 0m ,并做好仪器安全防护。为准确监测爆破振动信 号,所选测点与爆区之间的岩体应避开破碎带及沟槽 通过。测振仪的传感器与岩体表面采用甘油耦合,测 振仪采用自动触发、记录爆破振动信号并保存。 1 .4 振动监测的物理量 本论文的爆破振动测试采用质点振动速度作为 爆破振动的测试量。炸药爆炸引起岩石内部质点振 动有垂直、径向和切向3 个速度分量,一般切向分量 较小,垂直和径向分量比较大。在高差不大、近距离 范围的情况下,一般表现为垂直速度分量控制爆破 振动。因此选择垂直方向的振动速度作为本论文爆 破振动测试物理量。 2 爆破振动信号小波时频特征 在对爆破振动信号进行小波时频特征分析前, 必须选择最优小波基,因为用不同的小波基分析同 一个问题时会产生不同的结果。在实际应用中,应 选择衰减速度较快、波形与被分析信号有较好相似 性的函数作为小波基函数。根据以上选择小波基的 要求及爆破振动信号的特点,选用s y m 8 作为本次分 析的小波基函数。 在爆破振动监测数据中,取一爆破振动信 号J ,信号测试点的爆破条件见表l 所示,信号的速 度时程曲线如图l 所示。 表1 信号测试点的爆破条件 T a b l elT h eb l a s t i n gc o n d i t i o n so ft h es i g n a lt e s t p o i n t p I 咀 ● 昌 ≤ 魁 幽 图1实测爆破振动信号原始速度时程曲线图 F i g .1T h eo r i g i n a lv e l o c i t y t i m ec u _ r v eo ft h e m e a s u r e db l a s t i n g 、,i b m f i o ns i g n a l 2 .1 爆破振动信号消噪 测振仪进行爆破振动测试,因爆破现场环境复 杂,爆破振动波在岩土介质中传播时,往往携带有各 种成分的干扰波,同时因测试仪器自身的因素,在所 测得的爆破振动信号中可能混入噪声。因此在用小 波、小波包对爆破振动信号进行频谱分析时,应首先 对振动信号进行消噪处理,虑除噪声的干扰。 一个含有噪声的一维信号可以表示为如下形 式 s k 八k 8 e k k 0 ,1 ,2 ,⋯,,l l 式中s k 为含噪信号以k 为爆破振动信号;e .| } 为噪声信号;占为系数。 在爆破振动信号中以k 通常为低频信号,或者 是一些较为平稳的信号,e k 一般为高频信号。 1 对信号进行小波分解 D e c o m p o s i t i o n 万方数据 第2 7 卷第3 期费鸿禄,马诺诺坝基开挖爆破振动频带小波能量分析 1 0 1 首先选择1 个合适的小波,并确定分解的层次 经过多次分解对比,选取d b 3 小波,分解层次/7 , 5 。 则该信号5 层小波分解结构如图2 所示, S 口5 以 6 f 4 也 畋 d 1 ,噪声通常含在d l ,d 2 , 如,以,以之中。 ..D e c o m p o s i t i o n a tl e v e l5 J 口, d 5 t 西 d 2 d I 。黑卜叫r 咿枷一溅l 卜巾叫卜叫卜 - 00 4l ;.............- - - ..- ....- - - ‘- - - .- - .L ..- .- - .- J L - - .- - ..- J - ...- - - ..‘...- .- - ..- ........J ....._ 一 尊0 ‘0 6 卜八/\. 寸 。卜’u Ⅳ飞Ⅳ卜√V 一 寸二懑E £坐二二 £二 寸0 ’。;卜灿蜘抄忙一 0 .0 1 ‘ 、i0L - - 一 - 0 .0 lL ....J L ....J .....J ...... .....。‘......L .....J L ....J L .....J L ._ 一 2 对小波分解高频系数的阈值量化处理 对该信号分解后的各级系数进行适当处理,对 第1 到第5 层的小波,分别选取1 个合适的阈值。 这里选取软阈值 s o f tt h r e s h o l d i n g 消噪。 3 信号的重构 对软阈值量化处理后的各级小波系数进行信号 的小波重构,系数重构为分解的逆运算。重构后振 动信号已经明显不含干扰成分,从而得到真实的爆 破振动信号,以便于迸一步的小波分析。 4 信号的小波去噪 比较去躁后的分层信号与原始信号,如图3 所示。 通过对比可以发现,当越来越多的高频信息从 信号中滤去后,相应的低频信号变得越来越“纯 洁”,即所含的噪声越来越小。重构后振动信号已 经明显不含干扰成分,从而得到真实的爆破振动信 号,以利于进~步对实测爆破振动信号进行小波分 析。见图4 。 2 .2 爆破振动信号的F o u r i e r 分析 对该爆破振动信号进行F o u r i e r 分析,可得到功 率谱密度 P o w e rS p e c t r u mD e n s i t y ,P S D 图,见图5 所示。通过F o u r i e r 分析的频谱图3 可知,该爆破振 动信号的主频为6 9 .8 2 42H z 。 p I 帕 ● E 划 制 图3 去噪后的分层信号与原始信号 F i g .3 T h ed e n o i s e ds i g n a la n dt h eo f f , h a ls i g n a l 图4 经消噪并放大后的实测爆破振动信号的速度时程曲线 F i g .4 T h ed e - n o i s e da n da m p l i f i e dv e l o c i t y - t i m ec u l w eo f t h em e 鸽u I e db l a s t i n gv i b r a t i o ns i g n a l 图5 爆破振动信号的功率谱密度图 F i g .5 T h ep o w e rs p e c t r a ld e n s i t ym a po f t h eb l a s t i n gv i b r a t i o ns i g n a l F o u r i e r 分析把信号从时域转换到频域进行分 析,通过频域分析,可以得到信号频率的高低、能量 的分布情况、主振频率等物理量,但是在变换的过程 中却丢掉了时间的概念,得不到更为精细的主振频 万方数据 爆破2 0 1 0 年9 月 带分布及其优势频率。 2 .3 小波分析 在M a d a b 7 的W a v e l e tT o o l b o x 中用将图l 所示 的爆破振动信号分别进行深度为8 层的离散小波分 析,并编制计算程序,运行后得到离散小波变换的深 度图如图6 所示,其表达的意义为亮度高的地方小 波系数大,亮度低的地方小波系数小,从图中就可以 直观了解小波系数在时间一分解层次平面上的分布。 所得到重构信号与原信号问的相对误差如图7 所示。 从图中可以看出,重构信号与原信号的误差量级在 1 0 ~1 2 以上,可完全满足工程计算和分析要求。 图6 离散小波变换的深度图 F i g .6 T h ed e p t hm a po fD W T ] 童i‰.一一 爹 ,挣’⋯ ; t /m s 图7 实测结果与重构信号的相对误差 F i g .7 R e l a t i v ee l T o r0 fm e a s u r m n e n ta n dr o e o n s t r u e f i o ns i g n a l 2 .4 爆破振动信号的小波时频特征分析 选择用s y m 8 小波基对该信号进行尺度为7 的小 波分解,可获得8 个频带的小波分解系数。由于爆破 振动监测时,信号的采样率设置为20 0 0H z 采样频 率一般应高于被采信号高频的l O 倍以上,才能保证 所测信号波形的不失真 ,根据香农 S h a n n o n 采样定 理,则其奈奎斯特 N y q u i s t 频率为10 0 0H z 。根据小 波分解原理,8 个频带宽度分别为0 7 .8 1 25H z 、 7 .8 1 25 1 5 .6 2 5H z 、1 5 .6 2 5 3 1 .2 5H z 、3 1 .2 5 6 2 .5H z 、6 2 .5 1 2 5H z 、1 2 5 ~2 5 0 H z 、2 5 0 5 0 0H z 、 5 0 0 1 0 00H z 。将8 个频带的小波分解系数重构后, 便可获得上述8 个频带的爆破振动分量的时程曲线, 如图8 一图1 5 所示 为显示方便,用M a t l a b 编程时横 轴表示为实际时间的1 /2 00 0 0 。 0 0 图80 - 7 .8 1 25H z 爆破振动分量 F i g .8B l a s t i n gv i b r a t i o nc o m p o n e n to f0 - 7 .8 1 25H z 图97 .8 1 25 1 5 .6 2 5H z 爆破振动分量 F i g .9 B l a s t i n gf i b r a f i o nc o m p o n e n to f7 .8 1 25 1 5 .6 2 5H z 0 0 图1 0 1 5 .6 2 5 3 1 .2 5H z 爆破振动分量 F i g .1 0B l a s t i n gv i b r a t i o nc o m p o n e n to f1 5 .6 2 5 - 3 1 .2 5I - I z 图1 l 3 1 .2 5 ~6 2 .5H z 爆破振动分量 F i g .1 1B l a s t i n gf i b r a f i o nc o m p o n e n to f3 1 .2 5 ~记.5H z O 5 O 5 O 5 O S O 2 I l O O 1 l 2 0 0 0 O O 0 0 O O O O O O O Q O 一 一 一 一 万方数据 第2 7 卷第3 期费鸿禄,马诺诺坝基开挖爆破振动频带小波能量分析 1 0 3 图1 26 2 .5 1 2 5H z 爆破振动分量 F i g .1 2B l a s t i n gv i b r a t i o nc o m p o n e n to f6 2 .5 ~1 2 5H z 0 .0 2 0 0 .0 1 5 O .0 1 0 O .0 0 5 0 - 0 .0 0 5 0 .O l O - 0 .0 1 5 - 0 .0 2 0 02 0 04 0 06 0 08 0 0l0 0 012 0 0 图1 31 2 5 ~2 5 0H z 爆破振动分量 F i g .1 3B l a s t i n gv i b r a t i o nc o m p o n e n to f1 2 5 2 5 0H z 2 .5 2 .O 1 .5 1 .0 0 .5 0 - 0 .5 一1 .O - I .5 - 2 .0 - 2 .5 1 0 。3 02 0 0 4 0 06 0 0 8 0 0l0 0 012 0 0 图1 42 5 0 ~5 0 0H z 爆破振动分量 F i g .1 4B l a s t i n gv i b r a t i o nc o m p o n e n to f2 5 0 - 5 0 0H z 图1 55 0 0 10 0 0H z 爆破振动分量 F i g .1 5B l a s t i n gv i b r a t i o nc o m p o n e n to f5 0 0 1 0 0 0H z 使用M a t l a b 语言编制计算程序,可获得该爆破 信号小波分析的总能量、各频带爆破振动分量的频 带P P V 、各频带爆破振动分量的小波频带能量及其 分布,见图1 6 、图1 7 和表2 。 表2 爆破振动信号的频带参数 T a b l e2B a n dp a r a m e t e r so fb l a s t i n gv i b r a t i o ns i g n a l 由表2 可知,该信号能量在整个频带范围内都 有分布,但呈献不均匀性,在频带6 2 .5 1 2 5H z 爆 破振动分量的小波频带能量最大,约占5 1 %,O 一 3 1 .2 5H z 及2 5 0H z 以上的小波频带能量在整个能 量中所占的比例极小。 L 山 靼 嚣 图1 6 各频带爆破振动分量的频带P P V F i g .1 6 B a n dP P Vo fB l a s t i n gv i b r a t i o nc o m p o n e n t 辞 嚣 求 蛔 避 靼 聪 图1 7 爆破振动信号不同频带能量分布 H g .1 7 D i s t r i b u t i o no fd i f f e r e n tb a n de n e r g y o fb l a s t i n gv i b r a t i o ns i g n a l 由图2 可知,该信号的主频为6 9 .8 2 42H z ,即 该爆破振动信号的峰值质点振动速度 P P V 所在频 率为6 9 .8 2 42H z ,也正处在6 2 .5 ~1 2 5H z 频带之 万方数据 爆破 2 0 1 0 年9 月 间,也就是说,爆破振动的P P V 的大小可由小波频 带能量的大小来反映,小波频带能量与相应频带振 动分量的振动强度具有一致性。因此,小波频带能 量能够反映爆破振动的强度,同时也能够反映爆破 振动频率对建 构 筑物的作用影响。 由图3 ~图1 2 和表2 可知,该信号小波分析的 时间分辨率给出了不同频带振动分量的时程衰减特 性。在信号的低、中频带,振动分量衰减缓慢,振动 持续时间较长,频带P P V 与小波频带能量呈正比; 在信号的高频带,振动分量的衰减较快,振动持续时 间较短,小波频带能量也较小。因此,小波频带能量 能够反映爆破振动时间对建 构 筑物的作用影响。 由图1 4 一图1 5 和表2 中还可以看出,虽然此 次爆破振动信号的能量分布极不均匀,在其频域中 除了有1 个主振频率外,还出现了多个子振频带,且 各子频带中又有其各自的主频,各频带的能量大小 也不相同,这样爆破振动中就出现了多个峰值。可 见,由于坝基结构复杂,节理裂隙或裂缝将介质分割 成具有不同频率响应的结构,导致坝基开挖爆破振 动反映了多自由度有阻尼振动的特点。 3结论 通过对具有典型代表性的电站下水库坝基开挖 爆破振动信号进行F o u r i e r 分析和小波频带能量分 析,可获得以下结论 1 傅立叶分析是频谱分析,而小波分析是频带 分析,二者具有互补作用。在实际应用中,我们应将 傅立叶分析和小波分析结合起来,灵活运用,可以更 为有效的实现对信号的处理和分析。 2 爆破振动信号的能量在频域上分布较广泛, 但绝大部分能量集中在0 2 0 0H z ,在传播过程中 能量迅速衰减。 3 爆破振动信号小波频带能量分析作为时频 分析领域的一个方面,能够反映爆破振动3 要素 振动强度、频率和持续时间 的作用影响。 4 爆破振动出现的多子频、多峰值揭示了只采 用单个主振频带来代替整个频域,有欠准确,在未来 的研究中应将多主频的影响因素考虑进去。 5 高频部分的相对能量可能较低,但它的峰值 振动强度却可能比较大,为爆破振动研究提供了新 的理论方法。 参考文献 [ 1 ] 何军,于亚伦.爆破震动信号的小波分析[ J ] .岩 工程学报,1 9 9 8 ,2 0 1 1 4 7 - 5 0 . 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