单段爆破振动信号频带能量分布特征的小波包分析凌同华要点.docx
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单段爆破振动信号频带能量分布特征的小波包分析凌同华要点
振动与冲击
第26卷第5期
JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCK
Vo.l26No.52007
单段爆破振动信号频带能量分布特征的小波包分析
基金项目:
国家自然科学基金资助项目(50678028和中国博士后基金资助项目(2004036430收稿日期:
2006-11-13修改稿收到日期:
2006-12-12
第一作者凌同华男,硕士,副教授,1960年9月生
凌同华
1,2
李夕兵
2
(1.长沙理工大学桥梁与结构工程学院,长沙410076;2.中南大学资源与安全工程学院,长沙410083
摘要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。
根据爆破振动信号具有
短时非平稳的特点,利用小波包分析技术对满足分析要求的单段微差爆破振动信号的能量分布特征进行研究。
首先,简略地介绍了小波变换与小波包分析的特点。
其次,基于MATLAB对单段爆破振动信号进行小波包分析,得到了爆破振动
信号在不同频带上的能量分布图。
最后,总结了单段爆破振动信号频带能量的分布特征。
结果表明,在单段爆破中,爆破震动信号成分主要以中高频(39Hz~156Hz为主,低频成分(39Hz以下所占比例极少。
关键词:
爆破振动,能量分布,小波包分析,非平稳信号,单段爆破中图分类号:
O382;TD235.1文献标识码:
A
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[1]
。
以往分析和处理爆破
振动信号最常用也是最主要的方法是Fourier分析[2-4]
。
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,信号的结构包括频谱都是时变的,
属于典型的非平稳信号[5-7]
。
长期以来囿于理论的发展,人们研究它时,将它简化为平稳信号(伪平稳问题通过傅里叶等变换来处理。
近年来,随着科学技术的发展和进步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[8-9]
。
但用小波变换处理爆破振动信号还处于起步阶段,许多研究者正对此
做一些有益的尝试和探索[10-12]
。
本文针对爆破振动信号的特征,对单段爆破振动信号进行小波包分析,指出了单段爆破振动信号能量分布的特征,为综合研究爆破地震效应特别是振动速度-频率相关安全准则提供了一种有效的分析技术。
1小波包分解与爆破震动信号的能量
111小波包分析及其特点
小波分析是把信号分解成/粗糙0和/细节0两部分。
/粗糙0部分为信号的低频部分,/细节0部分为信号的高频部分。
/粗糙0部分可进一步分解成/粗糙0和/细节0两部分,且这样的分解能无穷地进行下去。
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,而且对高频部分实施分解。
小波包分解能根据信号特征和分析要求自适应地选择相应频带与信号频谱相匹配。
小波包分解具有严密的数学理论和数值计算法,是一种
比小波分解更为精细的分解方法[5-7]
。
112爆破震动信号小波包分解
将爆破震动信号进行小波包分解时,分解的层数取决于具体信号及采用的爆破震动分析仪的工作频带而定。
本文中所采用的爆破震动分析仪的最小工作频率为5Hz,由于爆破震动信号的频率一般在200Hz以
下,根据采样定理[6]
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,对应的最低频带为0Hz-4.883Hz。
根据小波包算法,其对信号分解后各层重构信号的频带范围见表1。
表1小波包分解系数重构信号各层频带范围
LayerSi,0Si,1
Si,2
i,j-1
Si,j
10-625625-125020-312.5312.5-625625-937.5937.5-125030-156.25156.25-312.5312.5-468.751093.75-125040-78.12578.125-156.25156.25-234.375,1093.75-1171.8751171.875-125050-39.06339.063-78.12578.125-117.188,1171.875-1210.9371210.937-125060-19.53119.531-39.06339.063-58.594,1210.937-1230.4691230.469-125070-9.7669.766-19.53119.531-29.297,1230.469-1240.2341240.234-125080-4.8834.883-9.7669.766-14.649,1240.234-1245.117
1245.117-1250
,
,,,
注:
表中
Si,j表示第i层第
j个小波包分解系数重构信号,j=0,1,2,,,2i-1
i=1,2,3,n
113各频带的能量表征
将被分析信号分解到第8层,设S8,j对应的能量为E8,j,则有
[6,10]
E8,j=Q|S8,j(t|2dt=Em
k=1
|xj,k|2
(1
式中:
xj,k(j=0,1,2,,28
-1,k=1,2,,m,m为信
号的离散采样点数表示重构信号S8,j的离散点的幅值。
设被分析信号的总能量为E0,则有:
E0=
E28-1
j=0
E
8,j
(2
各频带的能量占被分析信号总能量的比例为:
Ej=E8,j
E0
@100%(3
式中j=0,1,2,28
-1这样,由式(1、式(2、式(3可以得到信号经小波包分解后不同频带的能量,从而可以找出爆破振动信号在传播过程中能量的变化规律。
2单段爆破震动信号频带能量分布特征
211爆破振动测试
表2单段爆破震动测试点的条件
信号测点到爆心距离/m
段药量/kg孔数DD-16671DD-278182DD-3
89
21
3
为分析单段爆破震动信号频带能量分布的特征,在某地下矿进行了单段爆破震动测试,其测试点的爆破条件见表2,相应的速度-时程曲线见图1
。
图1竖向振动速度时程曲线
212单段爆破震动信号频带能量分布的小波包分析用db8作为小波基函数对图1所示爆破震动信号分别进行深度为8层的小波包分析,根据式(1、式(2、式(3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。
表3单段爆破震动信号的频带能量分布百分比统计
频带/Hz信号
DD-1
DD-2DD-3频带/Hz信号
DD-1DD-2
DD-30~4.883
0.0030.0030.003102.
54-107.424.6596.3870.1044.883~9.7660.0020.0036E-04107.42~
112.302.3150.0430.5819.766~14.6480.0130.0120.022112.30~117.191.2010.5861.34314.648~19.533E-040.0010.006117.19~122.077.3352.1841.99119.53~24.4140.9920.6670.701122.07~126.9513.0104.3902.54024.414~29.2970.7590.9190.263126.95~131.848.1042.73219.32029.297~34.180.0360.0270.029131.84~136.721.0276.54319.76034.18~39.0630.1950.1620.055136.72~141.6014.5601.3032.52139.063~43.9450.7784.5978.555141.60~146.4810.13012.8300.79343.945~48.8280.6232.5776.008146.48~151.3710.45016.0206.56048.828~53.7112.3010.2440.657151.37~156.253.58612.51011.32053.711~58.5943.9611.8167.519156.25~161.130.0138E-059E-0458.594~63.4770.4341.5460.789161.13~166.020.0040.0030.00163.477~68.3590.4652.3021.861166.02~170.900.0044E-043E-0468.359~73.2421.6442.3132.411170.90~175.780.0050.0025E-0473.242~78.1253.8001.3570.514175.78~180.660.0170.0030.00778.125~83.0080.3660.9810.135180.66~185.550.0140.0010.00683.008~87.8910.0150.4660.213185.55~190.430.0120.0100.01287.891~92.7730.4290.0210.982190.43~195.310.0177E-040.00492.773~97.6570.3820.0680.164195.31~200.209E-040.0390.01997.657~102.54
2.944
9.539
0.394
200.
20~
1250.0
3.392
4.791
1.833
图2单段爆破震动信号的频带能量分布
213单段爆破震动信号频带能量分布特征从图2、表3可以看出,单段爆破震动信号的频带能量分布呈现出以下特征:
1从图3-2可以看出,单段爆破震动信号的能量虽然分布很广泛(0Hz~1250Hz,但其能量中心主要位于中高频(39Hz~156Hz。
这一点从表3中亦可以看出,三条信号在39Hz以下的能量占其总能量的百分比分别为:
2%、1.8%和1.1%。
表明在单段爆破中,爆破震动信号成分主要以中高频为主,低频成分所占比例极少。
显然,由于工程结构体的自振频率往往较低,这有利于受控对象的安全。
2从图2还可以看出,虽然DD-3和DD-2的段药量分别为DD-1的3倍和2.6倍,但其相应的能量峰值(其实质为质点震动速度不存在类似的比例关系,甚至出现了DD-3的能量峰值还略小于DD-1的能量峰值的现象。
表明在工程爆破中,同段次药包(装药爆破时,各药包产生的地震波存在干涉效应,从而出现了段药量高的爆破震动峰值反而低于段药量低的震动峰值的现象。
3从图2和表3中都可以看出,虽然单段爆破震动信号的能量主要集中于中高频,但在中高频段其能量分布也极不均匀,出现了为数不少的/子中心0。
这些/子中心0构成了爆破震动信号不同的主震频带,表
明爆破震动信号的主震频带比较宽,主震频带又可以分成多个子震频带。
同时表明,工程结构是一个包含众多子结构的系统,各子结构的固有特性各不相同,因而其爆破震动具有多模态、多震型的特点。
3结论
1单段爆破震动信号成分主要以中高频(39Hz~156Hz为主,低频(39Hz以下成分所占比例极少。
2受爆破地震波干涉效应的影响,段药量低的爆破震动峰值段完全可能超过段药量高的爆破震动峰值。
3单段爆破震动信号的优势频率较高,其主震频带较宽,并可以被分成多个子震频带。
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IMFsfrommodeconfusing.
Keywords:
IMF(intrinsicmodefunction,fastband-passfiltering,analyticsigna,lHilbertspectrum
ANONLINEARVISCO-HYPERELASTICCONSTITUTIVEMODELBASEDONYEOHSTRAINENERGYFUNCTIONWITHITSAPPLICATIONTOIMPACTSIMULATION
ZHOUXiang-rong1
WANGQiang1
WANGBao-zhen
2
(11ShanghaiMarineEquipmentResearchInstitute,Shanghai200031,China;21CASKeyLaboratoryofMechanical
BehaviorandDesignofMaterials,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026,China
AbstractAccordingtotheviscoelastic-hyperelastictheoryAndthevisco-hyperelasticmodelproposedbyL.M.
Yangetc,anewnonlinearvisco-hyperelasticconstitutivemodel(VHCMbasedonYeohstrainenergyfunctionisproposedtodescribemiddle-highstrainrateeffectsofincompressiblerubber.ThenewVHCMiscomposedofonlyonevariable-thefistinvariantoftheleftCauchy-GreendeformationtensorB,whichsimplifiestheYangpsVHCM.Ausermaterialsubrou-tine(ABAQUS/VUMATofthenewVHCMisalsocompiledtosimulateimpactresponsesofrubberpadsandrubbershockabsorbers.ThegoodagreementbetweenexperimentresultsandsimulationonesshowsthatthenewVHCMiseffectiveandfeasibleinthecasesofmiddle-highstrainratesofrubber.
Keywords:
rubber,Yeoh,strainrate,visco-hyperealsticconstitutivemode,lABAQUS/VUMAT,impact
AMETHODOFCAR-HIGHWAYBARRIERCRASHACCIDENTRECONSTRUCTION
SHENJie1
JINXian-long1,2
CHENJian-guo
3
(11HighPerformanceComputingCenter,ShanghaiJiaotongUniversity(SJTU,Shanghai200030,China;
21StateKeyLaboratoryofVibration,Shock&Noise,SJTU,Shanghai200030,China;
31InstituteofForensicSciences,MinistryofJustice,Shanghai200063,China
AbstractAnewmethodofcar-highwaybarriercrashaccidentreconstructionispresentedbasedonCRASH3dam-agealgorithm.Becausethestiffnessofabarrieriseasytoobtain,thestiffnesscoefficientsofavehicledeterminedbythis
methodisbasedonresidualcrushandthevelocitybeforeimpactiscalculatedwithchangeofkineticenergy.Also,ade-tailedFEmodelofatypicaltypeofhighwayguardrailisestablished.Usingthismode,lthedynamiccharacteristicsofthisguardrailundervehicleimpactareinvestigated.Itpsfoundthatthenormalcontactforcebetweenthevehicleandthebarriercanbealinearfunctionoftheresidualcrushinmostconditions,butthelinearrelationforthetangentialforcecanonlybesatisfiedinsomeconditions.Finally,theabove-mentionedmethodisappliedtoarea-lworldacciden.tComparedwithPC-CRASH,thismethodisprovedtobefeasibleforaccidentreconstruction.
Keywords:
accidentreconstruction,computersimulation,highwaybarrier
FEATURESOFENERGYDISTRIBUTIONOFSINGLEDECKBLAST
VIBRATIONSIGNALSWITHWAVELETPACKETANALYSIS
LINGTong-hua1,2
LIXi-bing
2
(11SchoolofBridgeandStructuralEngineering,ChangshaUniversityofScienceandTechnology,Changsha410083,China;
21SchoolofResourcesandSafetyEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China
AbstractBlastvibrationanalysisisafoundationforstudyingcontrolofblastvibrationdamageandprovide
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