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 - 7 7 [ 4 ]李战军,田会礼,孟海利,等.水预湿降低爆破粉尘机 理初探[ J ] .煤炭科学技术,2 0 0 4 ,3 2 6 6 8 - 7 0 . [ 5 ]张士军,汪迪光,范德勇.水封爆破降低粉尘和有害气 体的效果评价[ J ] .江苏预防医学,2 0 0 3 ,1 4 1 4 7 , 5 2 . [ 6 ]杜翠凤,别凤喜,李怀宇.富水胶冻炮泥降尘机理的实 验研究[ J ] .金属矿山,1 9 9 8 ,3 2 8 4 1 4 3 . [ 7 ] 谢振华,李怀宇,营小东.表面活性剂溶液降低爆破尘 毒的研究[ J ] .有色金属,1 9 9 7 ,4 8 3 4 7 4 9 ,4 0 . . [ 8 ]菅小东,林海.面活性剂降低爆破粉尘污染的研究 [ J ] .建材地质,1 9 9 7 ,8 3 4 7 4 9 . 上接第1 1 2 页 3 透过爆破振动信号的时频特征分析可以更 全面、准确、精细地反映爆破振动的作用效应,也构 建出了爆破地震波作用机制和行为特征的显性依 据,是一种技术方法进步。 参考文献 [ 1 ] 张雪亮,黄树棠.爆破地震效应[ M ] .北京地震出版 社,1 9 9 1 . [ 2 ]丁康,陈健林,苏向荣.平稳和非平稳震动信号的若 干处理方法及发展[ J ] .震动工程学报,2 0 0 3 ,1 6 1 1 .1 0 . [ 3 ] C R E N W E L G EO t t oEJ r .O v e r b u r d e nb l a s t i n gv i b r a t i o n s a n a l y s i s ,p r e d i c t i o n ,a n dc o n t r o l [ C ] //P r o c e e d i n g so ft h e C o n f e r e n c eo nE x p l o s i v e sa n dB l a s t i n gT e c h n i q u e ,1 9 8 6 2 6 9 - 2 8 3 . [ 4 ]凌同华,李夕兵.地下工程爆破震动信号能量分布的 小波包分析[ J ] .爆炸与冲击,2 0 0 4 ,2 4 1 6 3 - 6 8 . [ 5 ]宋光明.爆破振动小波包分析理论与应用研究[ D ] .长 沙中南大学,2 0 0 1 . [ 6 ]程康,徐学勇.爆破振动频率对振动效应影响的试 验研究[ J ] .爆破,2 0 0 3 ,2 0 1 7 9 8 1 . [ 7 ]胡昌华,张军波,夏军,等.基于M A T L A B 的系统分 析与设计小波分析[ M ] .西安西安电子科技大 学出版社,2 0 0 0 . [ 8 ]徐佩霞.小波分析与应用实例[ M ] .合肥中国科技大 学出版社,1 9 9 6 . [ 9 ]中国生.基于小波变换爆破振动分析的应用基础研究 [ D ] .长沙中南大学,2 0 0 6 . [ 1 0 ] 娄建武,龙源,徐全军.小波分析在结构爆破震动 响应能量分析法中的应用[ J ] .世界地震工程,2 0 0 1 , 1 7 1 6 4 - 6 8 . [ 1 1 ] 唐飞勇,王家忠,崔正荣,等.能量判据在爆破振动安 全中的应用初探[ J ] .爆破,2 0 0 9 ,2 6 4 8 5 .8 8 . 万方数据