爆破振动信号特征分析的应用探讨.pdf

第2 7 卷第4 期 2 0 1 0 年1 2 月 爆破 B L A S T I N G V 0 1 ．2 7N o ．4 D e c ．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 4 ．0 2 9 爆破振动信号特征分析的应用探讨 唐飞勇1 ，王意堂2 ，梁开水3 1 ．化工部长沙设计研究院，长沙4 1 0 11 6 ；2 ．中国建筑材料工业建设西安工程有限公司，西安7 1 0 0 0 0 ； 3 ．武汉理工大学资源与环境工程学院，武汉4 3 0 0 7 0 摘要从信号的处理、分析入手，基于M A T L A B 小波分析工具箱的平台，透过傅里叶变换和小泼变换对 爆破振动信号进行特征分析，构建爆破振动信号不同频带振动分量的时频图谱；从能量角度出发，基于小波 能量法，以小波频带能量作为研究对象，探求爆破振动信号不同频带能量的分布特征及内在规律性，以此探 讨爆破地震波的作用机制和行为特征。 关键词傅里叶变换；小波变换；小波频带能量；特征分析 中图分类号T D 2 3 5 ．4 6 文献标识码A文章编号1 1 3 0 1 4 8 7 X 2 0 1 0 0 4 0 1 0 9 一0 4 C h a r a c t e r i s t i c sA n a l y s i so fB l a s t i n gV i b r a t i o nS i g n a l so fO p e nP i t T A N GF e i - y o n 9 1 ，W A N GY i ．t a n 9 2 ，H A N GK a i s h u i 3 1 ．C h a n g s h aD e s i g na n dR e s e a r c hI n s t i t u t eo fC h e m i c a lI n d u s t r yM i n i s t r y ， C h a n g s h a4 1 0 11 6 ，C h i n a ；2 ．X i ’a nE n g i n e e r i n gC o m p a n yo fC B M C C ，X i ’a l l7 1 0 0 0 0 ，C h i n a ； 3 ．S c h o o lo fR e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，W u h a nU n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ，W u h a n4 3 0 0 7 0 ，C h i n a A b s t r a c t F r o ms i g n a lp r o c e s s i n ga n da n a l y z i n g ，a n db a s e do nt h ep l a t f o r mo fw a v e l e ta n a l y s i st o o l k i t ，t h ec h a r - a e t e r i s t i co fb l a s t i n gv i b r a t i o ns i g n 丑l Ba r ea n a l y z e db yu s i n gw a v e l e tt r a n s f o r ma n dF o u r i e rt r a n s f o r mt e c h n o l o g y ．a n d t om a k et h et i m e - f r e q u e n c yf i g u r e so fd i f f e r e n tf r e q u e n c yb a n d so fc e r t a i nb l a s t i n gv i b r a t i o ns i g n a l s ．O nt h ev i e wo f e n e r g y ，a n db a s e do ne n e r g yw a v e l e tm e t h o d ，t h ed i s t r i b u t i o nf e a t u r e sa n di n h e r e n tl a w so fd i f f e r e n tf r e q u e n c yb a n d s a r ee x p l o r e da n df u r t h e r m o r e ．t od i s c u s s et h ee f f e c t i v em e c h a n i s m sa n df e a t u r e sa b o u tt h eb l a s t i n gs e i s m i cw a v e ． K e yw o r d s F o u r i e rt r a n s f o r m ；w a v e l e tt r a n s f o r m ；w a v e l e te n e r g y ；c h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i s 0 引言 爆破地震波是由爆炸应力波转换而来的、在岩 土介质中传播的一种能量逐渐衰减的扰动。它是非 常复杂的随机复合波，在传播过程中波的时频特征 常与爆源条件、传播介质的物理性质、地形地貌及结 构特征等因素密切相关，其所产生的振动信号具有 收稿日期2 0 1 0 0 4 3 0 作者简介唐飞勇 1 9 8 5 一 ．男，化工部长沙设计研究院助理工程 师，硕士，E - m a i l f f y 5 1 7 2 1 1 6 3 ．c o r n 。 通讯作者粱开水 1 9 4 5 一 ，男，教授，博导，研究方向爆破与安全 工程。E m a i l l k s w h u t ．e d u ．c n 。 短时、突变等等特点，属于典型的非平稳随机信 、号[ 1 1 。通过对爆破地震波的时频特征分析可以为 地震波的作用机理、传播规律、抗震设计和振动控制 提供研究基础，同时为爆破地震波预测和模拟计算 的前提条件，这是爆破地震效应研究的重要步骤。 振动信号的数字处理方法一直是近十几年的主 要研究课题之一。伴随信号分析技术的进步，同时 促进了机械、建筑、航天、地震、气象等学科的迅猛发 展；对实测振动信号采用各种数字信号处理方法进 行分析和处理，提取相关特征，可用于参数检测、质 量评价、状态监视和故障诊断等等拉J 。随着信号处 理技术的发展，爆破振动信号的分析方法也大体经 万方数据 1 1 0 爆破 2 0 1 0 年1 2 月 历了傅罩叶变换，快速傅里叶变换，短时傅里叶变 换，以及小波和小波包变换的过程∞圳。其中以小波 和小波包变换分析方法最为突出，这为非平稳随机 信号特征的提取提供了可能。近年来，小波变换在 爆破振动分析中得到了广泛的藿视，许多爆破研究 人员已对此做了一些有益的尝试和探索“ 刮。但迄 今为止，小波变换在爆破振动信号分析研究领域中 的应用仍处于探索阶段。 1 爆破振动信号特征分析的理论基础 1 ．1 傅里叶变换 F o u r i e rT r a n s f o r m 傅里叶分析是信号处理中的经典技术，是众多 科学领域 特别是信号处理、图像处理、量子物理 等 里重要的应用工具之一。它是处理平稳信号 如正弦信号等 最常用、最主要的方法[ 7 引。若函 数八f ∈L 2 R 连续 ∥ 尺 表示能量有限空间 ； 则连续傅里叶变换定义为 ● F g O I 八￡ e - “d t 1 J 一∞ F ∞ 的傅里叶逆变换定义为 1， ∞ 以t 圭IF ∞ e 州幽 2 二1 T J 一∞ 式中，∞为圆频率。 傅里叶变换是时域、频域相互转化的工具，从物 理意义上讲，傅立叶变换实质是把信号f C 菇 的波形 分解成许多不同频率的正弦波的叠加，这样就把对 以戈 的研究转化为对其权系数，即其傅立叶变换 F ∞ 的研究。 1 ．2 小波变换 W a v e l e tT r a n s f o r m 小波分析技术是近几年得到迅速发展并形成研 究热潮的信号分析新技术，被认为是对傅立叶分析 方法的突破性进展。小波变换分解与重构的快速算 法，也称为M a l l a t 算法，是M a l l a t 在多分辨分析的基 础上提出的一j 。正是由于快速算法的提出，才使得 小波变换的优良特性得以充分发挥，从而在众多领 域有着广泛的应用。该算法基本思想是信号以t 的小波分解是将月t 以尺度歹变换到空间r R 的 2 个正交子空间匕和％上，由E 得到离散逼近值 A f , 由肜得到离散逼近值D 下_ 层分解中是以尺 度_ 『 l 再将A 厂分解到子空间E ．和形 。中，就这 样不断分解下去，从而对信号进行了多分辨率的分 解。小波分层分解关系如图l 所示，其中h 和g 是 双通道滤波器组，A 厂称为逼近信号或平滑信号，它 对应着信号的低频成分；D ／称为细节信号，它对应 着信号的高频成分。 由上述M a l l a t 算法可知，信号八t 的小波分层 分解关系可以表示为 人I A , f D ， A ， D 2 厂 D ， A ， D ， D z f D r ／“ ⋯ a , f D ，， D 。一， ⋯ D ， D J 3 若五mC “为待分析信号八t 的离散采样数据， 则信号八t 的正交小波变换的分解公式为 P 2 小t i t ．1 ．乒p 孤忌o ’1 ’2 ，⋯扩l 4 、 。。 ’’‘，一’，’’ 、 k 。 ∑哆叱。g 槲 式中c “为尺度系数；嘭．。为小波系数；．『为小波分解 层数；n 为待分析信号的离散采样点数。 图13 层小波分解关系结构图 正交小波变换的重构过程是分解过程的逆运 算，相应的重构公式为 ‰。 ∑c j ．．h 胁 ∑哆．藏嘲 5 式 4 和式 5 分别为正交小波分解与重构 M a l l a t 算法的数学表达式。在上述算法中，尺度系 数相当于信号的低频部分，而小波系数相当于信号 的高频部分。 2 工程应用 2 ．1 工程实例 中联水泥有限公司南阳分公司所属的石灰石矿 山地处河南省镇平县老庄镇境内。矿山为露天石灰 石矿，北南长约7 0 0m ，最宽处约2 5 0m 。矿山爆破 采用深孔台阶形式，一般梯段高1 5m ，钻孔直径 1 6 5m m ，采用毫秒雷管间隔起爆方式，一般情况下 一次爆破的总装药量6t 左右，单段药量小于 6 0 0k g 。在矿区西南，正南和东侧散落分布有3 个 居民点 核桃园、分水岭和碾盘沟 。 选取在采场爆破振动监测中碾盘沟一线测点的 1 个爆破振动实测信号作为实例。信号的速度时程 曲线如图2 所示；透过傅里叶变换获得的信号功率 谱密度图如图3 所示；M A T L A B 语言编程计算得到 该爆破振动信号的振动主频，其值为1 4 ．6 4 49I - I z 。 2 ．2 实测爆破振动信号的时频特征 透过小波变换构建该爆破振动信号的小波时频 特征。选用d b 8 小波基对该信号进行尺度为7 的小 波分解，获得8 个频带的小波分解系数；根据小波分 解原理⋯1 I ，8 个频带宽度分别为0 7 ．8 1 25H z 、 万方数据 第2 7 卷第4 期唐飞勇，王意堂，梁开水爆破振动信号特征分析的应用探讨1 1 1 7 ．8 1 25 1 5 ．6 2 5H z 、1 5 ．6 2 5 ～3 1 ．2 5I - I z 、3 1 ．2 5 6 2 ．5H z 、6 2 ．5 1 2 5H z 、1 2 5 2 5 0H z 、2 5 0 ～5 0 0H z 、 5 0 0 10 0 0H z 。将8 个频带的小波分解系数重构 后，可以获得上述8 个频带的爆破振动信号分量的 速度时程曲线。再通过傅里叶分析，获得此8 个频 带相应的功率谱图。如图4 ～图1 1 所示。 2 1 f m 备0 3 ； 一l - 2 00 ．5 1 ．O1 ．5 f ，暑 3 0 0 2 5 0 2 0 0 每 垂1 5 0 锝 罄 1 0 0 5 0 图2 爆破振动实测信号速度时程曲线图 一 ● 红⋯一。 J J 爆破振动信号分量 0 7 ．8 1 25H z 嚣0 ．2 1 } 二等乎 i 乒二i s 譬t／s 套1 8 j 哥L - k - L L L L ．- ．．．．_ ．- ．- 一 雷0 1 0 02 0 03 0 0 4 0 0 5 0 06 0 07 0 08 0 09 0 010 0 0 频琦驴H z 图40 - 7 ．8 1 25H z 爆破振动信号分量速度时程 曲线及其功率谱图 4 0 0 2 0 0 O 1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 6 0 0 7 0 08 0 0 9 0 010 0 0 频率f l H z 图57 ．8 1 25 1 5 ．6 2 5H z 爆破振动信号分量速度时程 曲线及其功率谱图 鞋喀攀攀摹；5 奏1 警峙燕赢前甫奇肃一 图6 1 5 ．6 2 5 3 1 ．2 5H z 爆破振动信号分量速度时程 曲线及其功率谱图 C1 喜一 毫1 0 0 鑫5 0 静 雷 爆破振动信号分I 3 1 ．2 5 6 2 ．5H z 01 0 0 2 0 0 3 0 04 0 05 0 0 6 0 07 0 08 0 09 0 0l0 0 0 频薯咿H z 图73 1 ．2 5 ～6 2 ．5m 爆破振动信号分量速度时程 曲线及其功率谱图 喜_ 0 ．驻 等 吾 i ， 委萼b 抛庸桷勰氘扪肃㈣ 图86 2 ．5 1 2 5H z 爆破振动信号分量速度时程 曲线及其功率谱图 霄01 0 02 0 0 3 0 04 0 05 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 010 0 0 频率『7 H z 图91 2 5 - 2 5 0H z 爆破振动信号分量速度时程 曲线及其功率谱图 华∈攀一5 羹iL 裔荔蕊南再赢茄高赢0 0 图1 02 5 0 - 5 0 0H z 爆破振动信号分量速度时程 曲线及其功率谱图 | | j j | | | | j e．基誊芝盘*瞥豫 万方数据 1 1 2 爆破2 0 1 0 年1 2 月 磷b 当筌墨 蠢磷．．一．叫叫岫J - 止_ _ L 图1 15 0 0 一l0 0 0H z 爆破振动信号分量速度时程 曲线及其功率谱图 根据小波多分辨分析条件下能量计算原理[ 9 】， 使用M A T L A B 语言编制计算程序，可获得该爆破振 动实测信号的小波总能量、各频带爆破振动信号分 量的峰值质点振动速度以及各频带爆破振动信号分 量的小波频带能量及其分布特征。数字l 一8 依次 表示频带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 0H z 、2 5 0 5 0 0H z 、5 0 0 一l0 0 0H z 。女日图 1 2 、图1 3 和表l 所示。 1 ．5 ‘，1 ．0 如5 乎4 0 g3 0 夏2 0 尊1 0 岫0 l2345678 频带数 图1 3 各频带爆破振动信号分量的小波频带 能量分布特征 2 ．3 特征分析 由图5 和表1 可以看出频带7 ．8 1 25 1 5 ．6 2 5H z 爆破振动信号分量的小波频带能量最大；由图3 可以 获知爆破振动实测信号的振动主频为1 4 ．6 4 49I - I z ， 即该爆破振动的峰值质点振动速度所在频率为 1 4 ．6 4 49H z ，这正处于7 ．8 1 25 1 5 ．6 2 5I - I z 频带之 间。这说明峰值质点振动速度所在频率与该频率所 对应区间振动分量的小波频带能量最大具有一致 性，那么小波频带能量的大小可以反映出振动信号 峰值质点振动速度的大小，即小波频带能量可以反 映爆破振动的强度。通过小波时频特征分析提取不 同频带的爆破振动信号分量，获得各频带振动信号 分量的小波频带能量，因小波频带能量的大小直接 反映了相应频带振动信号分量的振动强度，从而可 获知不同频带振动信号分量对受控建 构 筑物的 作用影响；而爆破振动信号的小波频带细分，又可以 反映爆破振动频率的作用影响。再由图4 ～图1 3 和表l 可以看到，爆破振动信号小波时频特征分析 的时间分辨率，给出了不同频带振动信号分量的时 程衰减特性。在信号的低、中频带，振动信号分量衰 减速度比较缓慢，振动持续时间较长，频带峰值质点 振速大，小波频带能量也大；而在信号的高频带，由 于高频带振动信号分量的衰减速度快，振动持续时 间短，小波频带能量也就小。从而透过时频特征分 析还可以反映爆破振动持续时间的作用影响。这 样，爆破振动信号的时频特征分析可以同时反映爆 破振动3 要素 振动强度、频率和持续时间 的作用 影响，即爆破振动3 要素的共同作用影响，将能更全 面、更准确和更精细地反映爆破振动的作用效应，同 时也构建了爆破地震波作用机制和行为特征的显性 依据㈨。 表l 爆破振动实测信号的频带参数特征 黼n z ／微 c m 械．s - 量2 篇徽篱黧慧 3 结论 1 傅里叶分析和小波分析都是爆破振动信号 特征分析的理论基础，而小波分析技术是对傅立叶 分析方法的突破性进展。傅里叶分析运行的是频谱 分析，表达不出信号的时一频局部化性质；小波分析 则是信号时域和频域特征结合起来分析，恰恰反映 非乎稳随机信号最根本、最关键的性质。 2 爆破振动信号的时频特征分析综合反映了 爆破振动3 要素 振动强度、频率和持续时间 的共 同作用影响，推动其在爆破实践中的推广和应用属 于有益的尝试和探索，具有积极理论意义。 下转第1 1 5 页 万方数据 第2 7 卷第4 期许秦坤，陈海焱爆破粉尘及炮烟控制现状 1 1 5 济实用，但其装填技术水平要求较高”剖。 这些技术主要充分利用了一般爆破粉尘具有亲 水性，同时水廉价易得，都具有较高的性价比。 4 综合防尘技术事实上，对于开敞空间如城 市建筑爆破拆除都必须采取综合防尘技术，如广州 体育馆爆破拆除时的防尘措施，即清理积尘、楼面蓄 水、预湿墙体、屋面敷水袋、建筑外设高压管网喷水、 搭设防尘排栅和直升机投水弹并产生下向风流等综 合防尘技术，实施后减轻了粉尘危害。从城市建筑 拆除爆破粉尘控制来看，今后的发展趋势主要是采 用综合法控制爆破粉尘①清除待爆破物表面积尘； ②预湿建筑物，使其含水率达到适当水平；③爆炸水 雾降尘④建筑物局部蓄水，利用建筑物在倒塌过程 中蓄水形成水帘或水幕，降低爆炸粉尘；⑤喷淋，在 建筑物外部设高压管网喷水、消防车高压喷水，彻底 清除飘散粉尘。综合运用以上除尘措施，可以获得 非常好的效果，已逐渐成为今后拆除爆破粉尘控制 的发展趋势。 3其他因素 一般为了最大可能减少爆破粉尘产生量，对爆 破对象所在当地气候条件也必须给予考虑，一般要 求湿度较大，最好是阴雨天进行爆破；同时对当地风 速也有要求，最好是在微风甚至无风天气进行爆破， 以期达到减少爆破粉尘扩散的目的。 4 结语 采取经济实用综合防护措施是今后对于爆破时 产生的炮烟及粉尘控制技术的发展趋势；同时，应引 入“生命周期”理念，特别是城市建筑物，随着国家 经济建设的快速增长，出现了大量的废、旧待拆建 筑，如果我们从一开始就注重自其产生到使用寿命 结束这样一个“生命周期”，在最初设计阶段就注重 粉尘产量小的环保型建材选取或者根本不需要爆破 拆除的、具有标准的能批量生产的组装式建材，这样 不仅可以减少爆破及爆破产生的粉尘及炮烟的影 响，而且可以做到建材的回收利用。 参考文献 [ 1 ]朱金华，夏军，梁钱福，等．建筑物爆破粉尘控制 [ J ] ．采矿技术，2 0 0 9 ，9 5 1 2 5 ．1 2 6 ． 【2 ] 张兴凯．爆破烟尘行为理论及测试[ D ] ．北京北京科 技大学，1 9 9 5 ． [ 3 ] 宋萌，周小凤，郑必杰．浅谈爆破产生的危害及预防 措施[ J ] ．硅谷，2 0 0 9 1 4 7 6 - 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