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地下工程爆破振动信号能量分布特征的小波包分析

检测仪

来源:检测仪 点击数:2983次 更新时间:2015-1-22 14:18:16
诊断名称:地下工程爆破振动信号能量分布特征的小波包分析
备注信息:

1  引 言
  爆破振动分析是研究爆破振动危害控制的基础,也是控制爆破振动危害的前提。以往分析和处理爆破振动信号Z常用也是Z主要的方法是Fourier 分析。从众多爆破振动实地监测资料看,爆破振动信号具有持时短、突变快等特点,信号结构包括频谱都是时变的,属于典型的非平稳信号[12 ] 。但是,长期以来,由于受理论发展所限,通常都将它简化为平稳信号(伪平稳) 问题,通过Fourier 等变换来处理。近年来,随着科学技术的发展,特别是新的数学工具的出现,信号的时频表示法已广泛应用于工程技术领域,用小波变换处理非平稳随机信号已激起了人们很高的热忱。但用小波变换处理爆破振动信号还处于起步阶段,许多学者正对此做着有益的尝试和探索[35 ] 。本文中针对爆破振动信号的特征,对地下工程爆破振动信号进行小波包分析,取得了地下工程爆破地震波在传播过程中能量分布的某些特征。
2  小波包分析及其特点
  小波分析是把信号分解成低频和高频两部分。在分解中,低频部分失去的信息由高频部分捕获,在下一层分解中,又将所分解出的低频部分分解成低频和高频两部分,低频中失去的信息同样由高频部分捕获,如此类推下去,可以完成更深层次的分解。从小波分解的结构可以看出,小波变换的频率分辨率随频率升高而降低。小波包分解则不然,它不仅对低频部分进行分解,而且也对高频部分实施分解。小波包分解能根据信号特性和分析要求自适应地选择相应频带与信号频谱相匹配,是比小波分解更为精细的一种分解方法。小波包分解是以严密的数学理论和数值计算方法为基础,已有较多著作对此给出了详细的论述[68 ] ,为简洁起见,这里不再介绍相关的数学原理。
3  爆破振动信号小波包分解及各频带信号的能量表征
3. 1  爆破振动信号小波包分解
  将信号进行小波包分析时,分解的层数视具体信号及采用的爆破振动分析仪的工作频带而定。本文中所采用的爆破振动记录仪的zui小工作频率为5Hz ,由于爆破振动信号的频率一般在200Hz 以下,根据采样定理[9 ] ,信号的采样频率设为2500Hz ,则其奈奎斯特(Nyquist) 频率为1250Hz。因此,可以将分析信号分解到第8 层,对应的zui低频带为04. 883Hz。根据小波包分解算法,采用二进尺度变换,其对信号分解后各层重构信号的频带范围见表1 。

4  各频带的能量分布规律
4. 1  爆破振动测试
  用四川动态测试研究所生产的EXP2850 爆破振动分析仪(zui高采样频率50kHz) 和CDJ21 型传感器(可测频率范围为2500Hz) 对几个地下矿进行多次爆破振动测试,从中抽取8 个信号进行分析,其爆破条件、测点位置见表2 ,相应的质点竖向振动速度时程曲线见图1 。表2 中12a 、12b、22a 、22b 和32a 、32b、42a 、42b 分别为两个不同地下矿山的爆破振动信号的编号。

4. 2  爆破振动信号小波包分析
  (1) 小波基的选择。zui优小波基的选择是用小波包方法对信号进行分析时的一个十分重要的问题,因为用不同的小波基分析同一个信号会产生不同的结果[10 ] 。Daubechies 小波系列具有较好的紧支撑性、光滑性及近似对称性[1012 ] ,已成功地应用于分析包括爆破地震在内的非平稳信号问题[34 ] 。该小波系列按正整数N 具有不同的序列(db N) ,目前在爆破振动信号的处理中用得zui多的是db5 和db8 ,这里选用db8 。
  (2) 小波包分析。在Matlab6. 1 的Wavelet Toolbox 中用db8 将图1 所示的爆破振动信号分别进行深度为8 层的小波包分析,根据(1) (3) 式编制计算程序,运行后得到各频带的能量分布图(见图2) 。为便于比较,将各信号不同频带能量占该信号总能量的百分比统计于表3 。

4. 3  地下工程爆破振动信号不同频带能量分布规律
  (1) 从图2 、表3 可以看出,信号在0200Hz 间的能量占该信号总能量的百分比分别为98. 4 %、99.4 %、99. 33 %、99. 73 %、91. 93 %、98. 94 %、97. 16 %和99. 14 % ,表明地下工程爆破振动信号的能量在频域上虽然展布比较广泛,但绝大部分能量集中在0200Hz 间。
  (2) 表3 中,各信号在1080Hz 间的能量占其总能量的比例分别为: 92. 8 %、93. 2 %、90. 02 %、87108 %、75. 5 %、80. 3 %、83. 9 %、79. 0 % ,可以进一步将其划分成更多的频段,表明爆破振动信号的主振频带比较宽,主振频带又可以分成多个分振频带。
  (3) 从图2 可以看出,信号22a 与12a 所在测点离爆源的距离大致相同,但22a 的段药量在比12a 少许多的情况下其频带能量zui大值却超过了后者;同样22b 与12b、32b 与42b 所在测点离爆源的距离大致相同,后者的段药量均比前者大,但后者的频带能量zui大值却不及前者。这表明在爆破的中远区,雷管段数增加确有干扰降震的效果(使信号的频带能量zui大值降低) 。但在爆破近区(如32a 与42a) ,降震效果并未得到体现,是否表明雷管段数的增加对爆破近区的干扰降震效果不明显或无效还有待研究。
  (4) 从图2 及表3 还可以看出,段药量增加,结构振动的主振频带有往低频发展的趋势。由于工程结构的自振频率一般较低,显然这不利于地下工程中的构(筑) 物的安全。
4. 4  本分析方法的有效性检验
  为验证小波包分解后的信号是否真实反映原始信号,对分解后的信号进行重构,重构后的信号与原信号间的误差见图3 。从图中可以看出,重构后的信号与原信号的误差量级均在10 - 12以上,可完全满足工程计算和分析要求。因此,本文用小波包分析对爆破振动信号进行分解的过程中,信号的能量损失可忽略不计,表明本文所用分析方法是可靠的。

5  结 论
  利用小波包分析具有频率分辨率高的特点,基于MATLAB 对地下工程爆破振动信号进行深层次的小波包分析,得到了爆破振动信号不同频段上的能量分布,进一步指出地下工程爆破振动信号的某些传播特征,为综合研究爆破地震效应特别是爆破振动速度2频率相关安全准则提供了实用的分析技术。

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