基于HHT方法的石方爆破噪声特性分析.pdf

2 0 0 7 年4 月基于H H T 方法的石方爆破噪声特性分析陆凡东等 基于H H T 方法的石方爆破噪声特性分析 陆凡东陈勇方向吴腾芳 解放军理工大学工程兵工程学院 江苏南京，2 1 0 0 0 7 [ 摘要] H H T 方法是一种针对非线性、非平稳信号行之有效的分析与处理方法，它具有自适应性强、高效且希 尔伯特谱分析可清晰表明能量随时频分布等特点。该文在分析石方爆破噪声产生机理的基础上，利用H H T 方法分 析了有关爆破噪声记录，探讨了石方爆破噪声的时频特性。 [ 关键词] 石方爆破噪声蛐T 方法信号分析 [ 分类号] T D 2 3 5 振动、飞石和冲击波 爆破噪声 是石方开挖爆 破施工中的三大危害。爆破设计施工单位对前两者 通常能够采取比较有效的控制措施，而考虑到中深 孔爆破时炸药的大部分能量用于对岩石的做功而向 空气中释放能量较少，因此往往容易忽视冲击波 爆 破噪声 的影响，在远离城市的野外爆破时尤其如 此。 到目前为止在控制爆破危害方面关于爆破振动 和飞石的研究较多，但对爆破噪声的研究还很少。本 文结合有关监测数据，采用H H T 方法对石方爆破 噪声进行分析。 1 石方爆破噪声的产生机理 石方爆破噪声是这样产生的炸药在岩体中爆 炸瞬间，产生的大量高温高压气体 爆生产物 急剧 膨胀，猛烈压碎周围的岩壁，并在炮孔、岩体原生和 爆生裂隙中形成冲击波。冲击波瞬即作用在周围的 岩体上促使裂隙生长。如果填塞得当，炸药爆炸产生 的大部分能量用于岩体破坏；部分冲出岩体的爆生 气体、冲击波以及爆炸引起的大地振动则构成爆破 噪声的声源。爆生产物在大气中猛烈推动周围空气 形成冲击波，其本身经历几次膨胀收缩后停止运动， 且第一次加速膨胀释放的能量最多。冲击波在极短 时间内形成，并以超音速由声源向四周传播，由于其 强断面上的峰值超压衰减很快，当超压下降到o ．0 2 M P a 时，其传播速度、幅值变化规律就接近普通声 波。冲击波在完全转化为爆破噪声之前，两者混在一 起没有明确的界限，通常用分贝值1 8 0d B 来区分。 2 石方爆破噪声的特性 爆破噪声由不同强度和频率的声音组合而成， 具有以下几个特性 1 爆破噪声是由冲击波衰减形成的声波，属于 非线性、非平稳脉冲信号，强度要比平稳噪声高[ 1 ] 。 2 对予同一种炸药，不同装药量对应冲击波衰 减为爆破噪声的距离不同。 3 爆破噪声通常是由单段装药引起，即由单段 内所有药包爆炸产生的爆破噪声叠加而成，因此爆 破噪声内有较多主要峰值。若相邻段延期时间差在 几个毫秒级时，它为各段产生的爆破噪声的叠加。 4 爆破噪声的能量衰减快，持续时间短。 3 工程背景 3 ．1工程概况 山东海阳核电站建设过程中需要大量石方用于 修建海堤及平整场地，采石现场距离核电站约1 3 k m 。工程采用深孔台阶爆破开采石料，台阶高度1 2 m 左右，钻孔深度1 0 ～1 3 m ，钻孔直径j 2 f 7 6m m 。全 部深孔爆破均采用非电起爆系统点火起爆，使用的 炸药是2 4 岩石乳化炸药。在采石场地的北边是杜家 村，爆破地点距最近的村民住房约6 8 0m ；在村庄不 远处还有数个养貂场。由于爆破设计施工单位的合 理设计以及当地特殊的地形条件，本次工程爆破振 动危害很小，大部分炮次没有超过o ．0 5 0 8c m ／s 。考 虑到曾经在类似石方爆破中爆破噪声造成过诸如玻 璃震碎、养殖场的动物行为异常、房屋产生裂缝以及 居民正常生活被扰乱等问题，各单位将爆破噪声作 为本次工程共同关注的焦点。 3 ．2 测点选择和监测仪器 测点是由南京工程兵工程学院与山东核电公 司、爆破设计施工单位共同对现场勘查后选择的，三 个测点均设在受爆破影响较大的杜家村，呈东西方 向布置。如图1 所示，在测点和爆源之间不再有村民 民房及其他建筑物，其中1 测点距监测的爆破区域 为6 9 0 ～7 1 0 m ，2 4 测点为7 2 0 ～7 4 0 m ，3 测点为9 8 0 ～1 0 6 0 m 。 监测仪器为美国怀特公司生产的M I N I S E I S 震动仪[ 2 ] 和国产的H S 5 6 6 0 A 型精密脉冲声级计。 4 基于H H T 方法的爆破噪声信号分析 万方数据 2 2 爆破器材 E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第3 6 卷第2 期 图1 监测点平面位置不意图 4 ．1 H H T 方法的引入 H H T 方法由E M D 分解和希尔伯特谱分析两 部分组成，核心是E M D 分解。E M D 法不受F o u r i e r 分析局限，不用预设基函数，可依据数据自身的时间 尺度特征分解成一组固有模态函数 I M F ；通过对 各I M F 分量进行H i l b e r t 变换，可得到边际谱、瞬时 能量谱和希尔伯特能量谱，能清晰地反映原始信号 能量随时间、频率的分布，是一种针对非线性、非平 稳信号行之有效的时频局部化分析方法[ 3 ] 。 目前尚未看到关于该法分析爆破噪声的资料。 本文只对监测中获得的爆破噪声信号进行H H T 分 析，对方法本身不作过多介绍。 4 ．2 单个爆破噪声信号分析 本次监测从三个测点获得9 5 个完整的爆破噪 声记录，其中7 0 个为深孔爆破监测时获得的。为了 便于比较分析，将它们作为本文研究的对象。 图2 为炮次3 0 在3 测点测到的原始信号，采 样频率为1 0 2 4H z ，采样时问为1 ．7s 。通过E M D 后，该信号被分解为如图3 所示的8 个I M F 分量和 1 个R e s i d u e 余项的时间一幅值图。通过分析可知 1 E M D 法先分解高频再分解低频，即依次按 时间尺度从大到小的顺序分解出I M F 分量。各I M F 分量包含不同的时间特征尺度，可用不同的分辨率 显示信号特征“] 。图3 表明，随着分解的进行，I M F 分量的频率逐渐变低，波长越来越长，直到分解出频 率很低的最后一个I M F 分量c 8 。尽管c 1 频率最高、 波长最短，但其幅值不是最大的；能量主要集中在 ￡ 冒 翌 ■ 2 瑙 捌 图2 爆破噪声信号 三 ● 重 婴 鼍 是 魁 淄 奠笼匮三三巫三巫 譬o 、- 州愀，_ 姆w _ * _ ‘A 坩d 触m 砘w 呻叫，＼、，， 一l2 ．⋯⋯⋯⋯⋯一一～一一一J ．⋯⋯⋯⋯一⋯⋯一 一一 ％一笼巫蔓蕊巫三甄 { ；； 弓二釜蔓裂莎墨≯∑兰i i 熹 号点三丕Z ∑芝三三三 ％．弦立玉三三二∑Z 三三 l 二∑≤二Z 二二∑二I 二j 图3 原始信号经E M D 后得到的I M F 分量 I M F 分量c 2 ～c 5 上，为该信号的优势频率段，体现 了信号最显著特征；对c 2 ～c 5 进行频谱分析可知该 信号主要能量在频域上的分布情况，而进行H i l b e r t 变换可知它在时域上的能量加载情况；R e s i d u e 余 项是一个幅值很小的序列，表征该信号微弱的变化 趋势。 2 图4 为时间一频率一幅值分布，它能同时从时 频域清晰地表现出原始信号各个频率在各个时刻的 幅值分布情况，且分辨率很高，这是以往信号处理方 法所不能及的。 图4 时间一频率一幅值分布 3 边际谱表示每个频率在整个时间长度内幅 值的累加。图5 表明，该信号以低频为主，其主频带 由多个子频段组成，分布在5 ．o ～1 1 ．7H z 范围内， 万方数据 2 0 0 7 年4 月基于H H T 方法的石方爆破噪声特性分析陆凡东等 。2 3 ’ 在5 ．8H z 处幅值最大；同时，F F T 分析得到的频谱 其幅值在低频处缩小，在高频处放大。 品 ● 邑 ＼ j 粤 攀 ⋯边际谱 一F F T 谱 船如．似。d 型衄’，h r 执 ～ ⋯ 6 频率／H z 图5 边际谱与傅立叶谱 4 图6 为希尔伯特能量谱表示每个频率在整 个时间长度内能量的累加。瞬时能量谱表示信号能 量随时间的变化关系，它从另一个角度显示各个能 量峰值出现的时刻。图7 表明，该信号的能量较集 中，在￡ O ．3 s 时刻能量取最大，在t O ．1 5 s 、O ．3 2 s 和O ．7 2 s 时刻能量也较大。 4 ．3大量爆破噪声信号对比分析 在对7 0 个深孔爆破噪声信号进行分析时发现 只要对E M D 的端点效应进行有效地抑制，可以获 得很好的分析效果。通过比较分析发现 1 石方爆破噪声的主频带为5 ～1 9 5H z ，其能 量主要集中在5 ．5 ～6 8 ．2H z 范围内 表1 。其主要 能量持续的时间很短，7 4 ．3 ％的信号集中在o ．0 2 ～ o ．5 5 s 之间，2 5 ．7 ％分布在o ．5 5 ～1 ．1 5 s 之间。表1 中各炮次均为深孔爆破，所示药量为2 岩石乳化炸 药的药量；炮次2 2 在2 、3 社测点测到的爆破噪声声 压级小于1 1 2d B ，仪器没有记录。 2 由H H T 方法可获得各I M F 分量的希伯特 倒 怒 U ■ ∞ 鲁 ’一 Z {k J 、一A ■ ～J ～ 频率／H z 图6 希尔伯特能量谱 删 罐 茁 茧 j { 一 ．- 斌‘ l 铷心 ⋯_ f4 - ．． 吲‰“k j ㈨ 、 时问／s 图7 瞬时能量谱 表1H H T 分析的能量最大峰值情况 谱，不同I M F 分量对建 构 筑物的危害不同，通过 综合考虑可以更好地分析石方爆破噪声危害。爆破 噪声对建 构 筑物的危害是其主频带、持续时间、幅 值 能量 和结构物特性共同作用的结果。分析表明， 石方爆破噪声通常不会引起建 构 筑物共振，因此 万方数据 2 4 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s第3 6 卷第2 期 只要合理控制爆破噪声携带的能量和持续时间，就 可以有效地控制爆破噪声危害。 3 通过H H T 方法可以分析出石方爆破噪声 的叠加程度。爆破噪声内经常会出现多个主要峰值， 这是由于多段装药产生的噪声相互叠加引起的。爆 破噪声的叠加会导致其持续时间延长，从而增强噪 声的危害强度。H H T 分析表明，炮次5 、7 、1 6 、1 9 、 2 3 、2 4 的叠加效应比较明显，其中炮次2 4 时杜家村 1 测点附近某村民家南面数块玻璃非人为震碎。从 监测情况看，炮次2 4 在三个测点测到的爆破振动速 度均远小于安全控制指标，爆破噪声声压级也不大。 从表2 可知，尽管炮次2 4 的段药量和总药量不是最 大的，但它的叠加程度最严重，其主要能量持续的时 间在1 测点是所有爆破噪声中最长的，在时域的能 量最大峰值也比较大。可见在评价爆破噪声危害时 仅仅参考声压级控制指标是不够的。本文在统计主 要能量持续时间时参考科尔斯 C 0 1 e s R 等人提出 的B 类持续时间计算方法；为便于比较，表2 的持 续时间为瞬时能量大于7 0 的对应值，小于7 0 时不 作考虑。 4 同一炮次、不同测点获得的爆破噪声对建筑 构 物的破坏作用不同。1 4 测点、3 4 测点与爆源之 间的地形地貌条件相似，并且没有直接阻碍物，而在 2 8 测点和爆源之间靠近2 4 测点处有一座山丘。 H H T 分析表明，爆破噪声的能量最大峰值从频域上 看更容易出现在2 测点，从时域上看大部分炮次出 现在1 4 测点。因此，在控制爆破噪声危害时要考虑 地形地貌条件的影响。 5 结语 H H T 方法是分析石方爆破噪声行之有效的方 法，H i l b e r t 谱能清晰地体现石方爆破噪声的主频范 围、持续时间和幅值 能量 分布情况。另外随着爆破 对象不断向高大发展以及钢结构对象的不断增加， 大药量和聚能切割器被大量使用，H H T 法对城市控 制爆破中的爆破噪声研究也具有实际意义。 参考文献 1姚德生．三峡坝区爆破噪声的特性分析[ J ] ．红水河， 1 9 9 6 ，1 5 2 1 ～3 2 高振儒，方向，等．M I N I S E I s 地震仪在爆破振动监测中 的应用[ J ] ．爆破，2 0 0 2 ，1 9 1 8 1 ～8 3 3 张义平，李夕兵，等．基于H H T 方法的爆破地震信号分 析口] ．工程爆破，2 0 0 5 ，1 1 1 1 ～7 4 李夕兵，张义平，等．爆破振动信号的小波分析与H H T 变换[ J ] ．爆炸与冲击，2 0 0 5 ，2 5 6 5 2 8 ～5 3 5 A n a l y s i sO fR o c k yD e m o l i t i o nN o i s eC h a r a c t e r i s t i c sB a s e do nH H TM e t h o d L uF a n d o n g ，C h e nY o n g ，F a n gX i a n g ，W uT e n g { a n g E n g i n e e r i n gI n s t i t u t eo fE n g i n e e r i n gC o r p s ，P L AU n i v ．o fS c i ． T e c h ． J i a n g s uN a n g j i n g ，2 1 0 0 0 7 [ A B s T R A c T ]H H T H i l b e r t - H u a n gT r a n s f o r m p r o v i d e sav e r yu s e f u la n de f f e c t i v em e t h o di na n a l y z i n ga n d p r o c e s s i n gn o n l i n e a ra n dn o n s t a t i o n a r ys i g n a l s ． I th a sc h a r a c t e r i s t i c so fs e l f a d a p t a t i o na n dg o o de f f i c i e n c y ，a n d a n a l y s i so fH i l b e r ts p e c t r u mc l e a r l ye x p r e s s i n gt h ee n e r g yd i s t r i b u t i o nw i t ht i m ea n df r e q u e n c yi nd e t a i l s ．T h i sp a - p e ra n a l y z e st h ep r o d u c em e c h a n i s ma n dc h a r a c t e r i s t i c so fr o c k yd e m o l i t i o nn o i s e ．M o r e o v e r ，H H Tm e t h o di su s e d t oa n a l y z et h et i m e f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so fs o m ed e m o l i t i o nn o i s em o n i t o r i n gr e c o r d ss oa st og a i ns o m ev a l u - a b l ec o n c l u s i o n s ． [ K E YW O R D S ]r o c k yd e m o l i t i o nn o i s e ，H H Tm e t h o d ，s i g n a la n a l y s i s 万方数据