李彬峰
(铁道建筑研究设计院爆破工程研究所,北京102600)
摘 要: 讨论了对爆破振动的有关测试、分析方法和几种对爆破振动的不同分析处理软件,并详细阐述了几种常用处理方法的性能特点,从而达到指导实际测试的目的,提高数据处理的正确性和科学性。
关键词: 爆破振动; 测试方法; 小波分析; 软件分析
中图分类号: TD235.4+1 文献标识码: A
1 引 言
我国对地震效应的观测已基本形成了自己的观测系统和手段,在爆破监测技术方面已取得了较大进步。首先表现在测试仪器的突破,研制出了轻便、灵活、操作简单、测试数据精确可靠的测震仪器。同时,计算技术的应用,更是将数据处理软件向前推进了一大步,将测试数据的精确分析提高到了更高水平。光学示波器因其不便于现场应用,现已基本淘汰;磁记录系统也存在价格昂贵、体积庞大等的缺点而逐渐被数字测震系统所替代。数字测震系统可以进行分散测量,便于野外使用,所记录的数字化的波形易在计算机上进行分析,所以数字测震系统是发展的方向,也是应用的重点[1~5] 。
2 爆破振动的分析方法
2.1 最小二乘法
爆破振动速度涉及多个变量,这些变量间的关系不能严格从理论上推导给出,只能根据实测资料用统计回归方法得到。
人们熟知的爆破介质质点震动衰减规律的经验表达式就是由统计方法导出的。它用回归最小二乘法分析了实测振速v、最大一段装药量Q、测点距爆心的距离R的相互关系,从而确定与爆破地形、地质条件以及爆破规模、药包结构特征相关的待定系数K和衰减指数α,即萨道夫斯基公式表达式
式中:ρ为比例药量。为了确定该式中的待定系数K和α,v、R、Q为实测已知量,为求得K、α,将上式两边取对数变为线性方程[3]:
令y =lgv,A=lgk,B=α,x= lg(Q 1/3 /R),则上式变为y= A+Bx。根据实测数据进行拟合得到A和B的值,那么k =10A,α= B。由此得到该药量下的质点振动速度随距离的衰减规律。
2.2 小波分析法
小波分析是通过在不同分解水平j下,窗口大小随分解水平j而变化的小波函数对信号进行时-频域局部化分析。小波函数是局部非零的紧支函数。小波变换具有连续变换和离散变换两种形式。工程采集数据一般经离散小波变换后正交小波没有冗余分量。所以常采用离散小波变换对工程实测数据进行小波分析。
小波分析是把信号分解成低频和高频两部分。在分解中,低频部分失去的信号由高频部分捕获。在下一分解中,又将所分解出的低频部分分解成低频和高频两个部分,低频中失去的信号同样由高频部分捕获,依次类推,可以完成更深层次的分解。此外,小波包分解是一种比小波分解更为精细的分解方法,它的基本特点在于可以对分解出的高频部分作进一步分解,从而提高频率分辨率,具有更好的时频特性。
小波分析的目的是通过小波变换找出同时隐含在时-频域中的能量成分特性。通常,一次地震动中所输入建、构筑物的能量与加速度大小是直接相关的[6,7] 。
式中,S^ (w)为加速度傅立叶变换幅度;m为受爆破振动信号影响的物体质量。
则由小波变换所表示的加速度能量关系式
S0(t)表示原始输入的爆破振动信号。理论证明,在每一水平下的加速度能量IEj与原信号D(t)的傅立叶频谱D^ (f)之间具有如下关系:
上式表明,原始信号S0(t)的加速度能量也可以用频域上的不同分解水平下的小波变换分量来表示。某一分解水平下的加速度能量IEj可以由正交小波表示如下:
上式表明,I Ej可由水平j下的小波系数幅度的平方和来表示,从而小波系数α j,k的幅度反应了在离散时间序列k处的信号能量密度。
通过测试直接得到原信号(振动速度信号)经微分即可得到对应的加速度信号,在不同水平j下经小波变换,然后对不同水平下的信号分量进行能量分析,可以同时得到结构物中所输入能量的时-频特性,这一特性对于抗震设计及工程爆破监测是非常有用的。
2.3 离散傅立叶变换法
对于包括瞬态和冲击波形的非周期波和随机波形的频谱分析,一般通过傅氏变换的方法进行频谱计算。这只是傅立叶变换本身而言,如采用计算机时,可通过离散傅立叶变换的图解或理论推导获得。现在应用较多的则是FFT(快速傅立叶变换)算法,大大减少了运算次数,缩短了运算时间。在频谱分析中,是利用傅立叶级数原理求得复合周期波形的各个频率的离散谱线[8] 。
2.4 几种方法的比较
上述几种方法从不同角度对爆破振动进行了分析。其中回归分析法使用较为方便,只要具有某几个初始量,即可得出相应的回归方程,达到指导施工的目的;小波分析方法和傅立叶离散变换法则主要偏重于理论的研究和进行波谱分析研究,用其指导实践则难度相对较大,但与回归分析相比它们更科学,是进行理论研究的好帮手。
2.5 几种软件分析系统
软件分析功能是振动测试仪的主要性能之一,一般要求:最大振动速度值的寻求;对振动波形作微分、积分处理;对振动波形进行FFT变换,作频谱分析,确定主振频率;速度矢量求和;方便用户,即Windows操作方式下的信息输入、储存和打印等。下面分别介绍几种常用分析软件。
2.5.1 CDSP振动信号采集、处理和分析程序
CDSP振动信号采集、处理和分析程序是在PC兼容微型计算机上开发的,具有多功能的信号处理软件。该程序由不同功能的处理程序模块构成一个完整的信号处理系统程序,CDSP程序能对数字信号进行时域、频域等的分析处理,同时还能对数字信号进行基本数学运算,可用于Windows95、98或NT平台[3] 。
CDSP程序的主要组成功能模块有:CDSP程序基本模块;基本数学运算模块;数字信号时域、频域分析模块;数字信号生成模块;绘图、显示模块;模态参数识别模块;生成人工模拟地震波模块以及强震加速度记录处理分析模块等。
2.5.2 Origin工程绘图软件
Origin是美国Microcal公司推出的数据分析和绘图软件,可用于Windows95、98或NT平台。Origin功能强大,在各国科技工作者中应用较为广泛,当前全世界有数以万计的科学研究和工程技术人员使用,被公认是最快、最灵活、使用最容易的工程绘图软件。Origin带给用户的是最直观、最简单的数学分析和绘图环境[9] 。
3 爆破振动的测试仪器
3.1 DSVM系列爆破振动测试仪
该系统是由北京矿冶研究总院研制推出的振动测试仪。自开发研制到现在已经历了4代产品,性能得到不断完善。现以DSVM-4C型振动测试仪为例,介绍其特点。仪器采用高速微处理器为控制核心的四通道振动测试(3个通道测振、1个通道测声级或振动);具有RS232标准串行接口,可与PC机数据通讯,通讯速率达38 400Bps;12倍高速A/D转换器,精度为8倍A/D仪器的16倍;存储容量可达128 k,分区存储10次测试结果;Windows98软件,可视化工作界面;体积小,携带更方便。
3.2 INV303/306型智能信号采集处理分析系统
该系统即所谓的“虚拟仪器库”、“移动试验室”。是用微机,通过“东方科卡”和“DASP”(达世普)、PDB等大型软件实现的“PC卡泰”———微机卡式自动测试分析仪。它集数据采集、信号处理、故障诊断、模态分析、桩基检测、噪声与声强测量、动力有限元计算等多功能分析于一体的高科技成果。
数百项测试分析功能,是强大的移动试验室虚拟仪器库,满足各种测试需求;特殊新技术———拟小波,任选整周期采集,时-频域同时示波;A/D分辨率:12、16、18位,采集方式:总线、并口,USB、1394;采样频率从0.001 Hz~100 kHz、~380 kHz、~1.25 MHz、~20 MHz;16通道和32通道并口联接并行无时差采集分析系统;频率误差小于0.01%,幅度误差小于0.1%,阻尼误差小于1%;新推出的DASP2000WIN95/98/NT版,全新界面、功能强大。
3.3 爆破Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型记录分析仪
成都中科动态仪器有限公司推出的DT系列微型记录分析仪,适宜于对地震波、爆炸、冲击、机械振动过程进行瞬态记录和信号分析,广泛应用于桥梁、矿山、公路、铁路、隧道等爆破爆破现场的环境监测和定量分析[10]。
爆破Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型记录分析仪为系列记录分析仪,分别为三通道并行采集、双通道并行采集和单通道采集。这里重点介绍爆Ⅲ型。
爆Ⅲ型为三通道并行采集,最高采样率50 kHz(向下分12档可调);A/D分辨率12 Bit,输入满量程:±200 mV、±2 V、±20 V分3档可选;分4段存储,每段16 K数据,可连续记录4次(或8次)现场爆破信号,现场用笔记本电脑经RS232串口直接设置采样率、量程等采集参数;由电脑读取采集数据,并分析、显示、打印波形和测试报告,支持微型打印机。轻小、便携、无需前端信号调理和现场布线,可直接配接速度、加速度和压力等传感器进行量测,仪器仅重800 g;内装干电池,可连续工作10 h以上,有电池欠压指示,关机后数据不丢失;各通道可分段存储4个独立的振动信号,测量误差小于1%;标准RS232数据输出口,可直接同电脑连接,监测现场振动波形,并可直接读出振幅、频率、波速等参数及三矢量合成等多种分析,必要时可现场打印测试报告;触发方式多,具有多种触发电平装置,可多台同步触发构成多测点阵列;软件支持频率、相关谱、功率谱等多种数字信号处理与分析以及用户专用算法。
3.4 TOPBOX爆破自记仪
TOPBOX爆破自记仪采用逻辑电路判断自触发,设计的核心是采用嵌入式微控制电路80C31,由模拟放大、数据采集、模拟和数字输出、电源控制及爆破同步信号检测5个单元组成。整机工作原理:由传感器检测的模拟信号,送入模拟信号调节放大器,微控制执行EPROM中的工作程序,经A/D转换将模拟信号转换成数字信号存入RAM中。以爆破同步信号启动这一记录(数据采集)过程。记录的爆破信号初至波完整,波形齐全。此外,自记仪程序由数据采集程序、模拟信号复原程序及数字串行输出程序三部分组成。将借助微机进行信号输出复制工作,使仪器简单化、小型化,并将野外工作室内化[4,11]。
3.5 MINI-SEISⅡ型小型数字式爆破地震仪
这是美国生产的国际上先进的便携式爆破地震仪[12],性能极好、无须使用交流电,具有1个声通道和3个爆破振动信号通道。爆破结束后数秒就可读出爆破冲击波噪声以及3个向量的速度分量及矢量和以及它们的主频率。存储空间1 024 k,最多可存储341个记录,且每个记录均包含了垂向、径向、切向三个方向的振动速度和声波记录。最大采样频率2 048 Hz,并可根据地震波的大小选择三个量程:64、27、254 mm/s。触发值范围为0.254~57.9 mm/s。
该仪器能探测到的最低速度值为0.03 mm/s。
3.6 各爆破测振仪的优缺点
INV303/306功能最为强大,但对测振而言,开发和附带多种功能不仅会增加成本,同时,功能越多,故障率也会越高。其它如DSVM系列、MINI-SEISⅡ型、爆破Ⅲ型等均满足了至少3个通道的要求,且轻便、准确、内存较大,具有RS232标准串行接口,可与PC机数据通讯,支持微型打印机等。而TOPBOX具有自动内触发设置,所采用的逻辑电路判断自触发较为可靠,避免了外触发必须放长距离外触发信号线的麻烦。实践证明,当传感器信号达到设置量的1/8或1/4即启动自触发,使用中尚未出现自触发错误的悲剧[13]。
参考文献
[1] 孟吉复,惠鸿斌.爆破测试技术[M].北京:冶金工业出版社,1992.
[2] 刘建亮.工程爆破测试技术[M].北京:北京理工大学出版社,1994.
[3] 张玉明,张 奇,白春华,等.爆炸振动测试技术若干基本问题的研究[J].爆破,2002,19(2):1-3
[4] 陈寿如,肖清华.无线自记测震系统在露天矿山爆破地震记录控制中的应用[J].爆破器材,1998,27(1):18-20·
[5] 中国科学技术信息研究所、东方振动和噪声技术研究所.中国科技成果(INV专刊)[A].中国科技成果[C].2000.
[6] 龙源,娄建武,徐建军.小波分析在结构物对爆破振动响应的能量分析法中的应用[J].爆破器材,2001,30(3):1-5·
[7] 林大超,施惠基,白春华,等.爆破震动时频分布的小波包分析[J].工程爆破,2002,8(2):1-5·
[8] 应怀樵.波形和频谱分析与随机数据处理[M].北京:中国铁道出版社,1983·
[9] 晨曦工作室,郝红伟,施光凯. Origin6.0实例教程[M].北京:中国电力出版社,2000·
[10] 爆破环境监测.振动信号分析[J].工程爆破,2001,7(4):封二.
[11] 刘殿中·工程爆破实用手册[M]·北京:冶工业出版社,1999·
