模式自适应连续小波去除趋势项方法在爆破振动信号分析中的应用

为了更精确提取爆破振动信号峰值速度、能量等重要特征,必须对爆破振动加速度信号时域积分中的趋势项予以去除。通过对实测爆破振动加速度信号进行梯形数值积分,提出以时域积分后的爆破振动速度信号来构造模式自适应小波基的方法,并用此方法去除时域积分后爆破振动速度信号中的趋势项,然后对去除趋势项后的爆破振动速度信号进行能量特征分析。结果表明:模式自适应连续小波法成功去除了时域积分后爆破振动速度信号中的趋势项;与建立在传统Fourier变换基础上的频谱分析相比,小波变换的能量分析具有更精细的频率分辨率,更适合于对频率分辨率要求更高的爆破振动信号进行分析;各频率区间范围划分越宽,爆破振动加速度信号与速度信号各频率区间内能量分布的相关程度越高,反之,相关程度越低。     

变分模态分解在爆破信号趋势项去除中的应用

爆破工程中,信号趋势项的准确去除对提高爆破振动信号分析的精度具有重要意义。针对经验模态分解（empirical mode decomposition,EMD）识别法存在的模态混叠和端头效应等缺陷,提出了基于变分模态分解（variational mode decomposition,VMD）去除信号趋势项的方法,即VMD法。叙述了VMD法识别爆破信号趋势项原理,并进行了仿真实验,结果表明：趋势项频率对分解效果的影响相对较小,当趋势项频率处于1～5 Hz之间时,频率对分解效果的影响基本保持不变;振幅对分解效果影响显著,且振幅越小,VMD法的分解效果越差。当趋势项振幅超过原始爆破信号最大振幅的1/3时,VMD法分解效果较好。最后,应用VMD法和EMD法对含有趋势项的实测爆破振动信号进行处理,认为相比于EMD法,VMD法处理后的信号基本一致且不存在端点效应,在爆破信号趋势项去除领域中具有更加广泛的适用性。

     

基于集合经验模态分解-小波阈值方法的爆破振动信号降噪方法

为了更好地消除混杂在爆破信号中的噪声,引入一种基于集合经验模态分解和小波阈值共同作用的降噪方法。首先将信号进行集合经验模态分解,然后选择含噪的模态函数分量进行小波阈值降噪处理,最后把处理后的分量和未处理的分量进行叠加,重构的信号即为降噪信号。该方法不仅能有效的去除噪声,还能使爆破波形保留其真实性和完整性。     

基于EMD改进算法的爆破振动信号去噪

为了解决振动信号经验模态分解(empirical mode decomposition, EMD)滤波去噪效果不佳的问题,提出一种自适应性正交经验模态分解(principal empirical mode decomposition, PEMD)的信号去噪方法。该算法融合了EMD分解的自适应性和主成分分析(principal component analysis,PCA)的完全正交性特点,对信号EMD分解过程中产生的模态混叠现象进行消除,得到了最佳的去噪效果。分析表明：PEMD在仿真模拟试验中相比于传统EMD算法和集总经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition, EEMD) 算法,信噪比分别提高了1.15 dB和0.38 dB,且均方根误差最小;频域上PEMD对仿真信号频率(30 Hz)识别的灵敏度最高,30 Hz之外的噪声滤除效果最好。在爆破振动试验中,PEMD和EEMD去除噪声毛刺的效果较为理想,且PEMD在0～300 Hz的中低频振动信号保存效果最好,300 Hz以上的高频噪声滤除效果最好。

     

隧道爆破近区振动的预测方法

将比例距离的概念应用于隧道爆破振动分区中,以速度衰减曲线斜率的大小作为分区计算的依据。在此基础上,提出采用BP小波神经网络的方法预测爆破近区振速,以棋盘山隧道实测数据验证模型的可行性。结合泉厦高速公路大坪山隧道工程实例,对临近既有隧道形式的隧道爆破地震波传播规律进行分析,并对近区振速进行预测。分析表明:（1）在无实测值时,隧道爆破分区可按比例距离大致划分为:比例距离 < 5.0为爆破近区;5.0≤比例距离≤9.0为爆破中区;比例距离 > 9.0为爆破远区。（2）BP小波神经网络爆破近区预测模型不仅适用于新建分离式隧道,也适用于临近既有隧道的新建小净距隧道。研究成果对复杂环境下的隧道钻爆施工具有一定的指导意义。     

基于CEEMDAN-小波包分析的隧道爆破信号去噪方法

针对隧道爆破施工中采集到的实测振动信号,引入一种基于总体平均经验模态分解方法（CEEMDAN分解）联合小波包分析的降噪方法。首先,通过CEEMDAN分解得到多个本征模态分量,利用相关系数筛选出包含噪声的模态分量,并通过模态分量的频谱图及方差贡献率进行校核。然后,利用小波包阈值降噪方法对含有噪声的模态分量进行处理。最后,将未经处理的模态分量与去噪完成的分量重构得到最终纯净的爆破振动信号。同时,通过小波包能量谱分析验证此降噪方法的可行性。本文引入的方法兼具CEEMDAN分解及小波包分析的优点,与现有方法相比,去噪效果较好,可以应用于类似隧道爆破信号的去噪处理中。     

冻结立井爆破近区井壁振动信号基线漂移校正和消噪方法

冻结立井爆破过程中,近区监测信号中含有的基线漂零及噪声成分对其局部特征精细化提取影响显著。在对近区井壁振动信号有效采集基础上,通过互补总体经验模态分解（complementary ensemble empirical mode decomposition, CEEMD）方法、稀疏化基线估计消噪（baseline estimation and de-noising with sparsity, BEADS）方法和隐马尔可夫模型消噪（hidden Markov model de-noising, HMMD）方法等,解决了信号中基线漂移和随机噪声消除难题,并采用交叉小波变换对校正和消噪效果进行了相关性评价。实例分析结果表明：信号中缓变的基线成分遍历信号各个模态分量的整个过程,且主要集中于低频分量中,而噪声则集中在高频分量。组合分析方法对低频基线漂零和高频噪声的处理效果好,是一种高效且相对保幅的信号分析方法,可用于批量信号数据的预处理过程。

     

爆破振动信号的HHT时频能量谱分析

采用希尔伯特-黄变换对爆破振动信号进行时频能量谱分析。经验模态分解中采用了极值点对称 延拓消除端点效应,采用分段三次Hemite保形插值算法插值拟合消除欠包络现象以及筛分终止局部准则; 对于传统HHT 计算瞬时频率的负峰问题采用了标准化和直接正交法解决。采用了LabView 平台实现,提 高了计算效率和实用性。     

爆破震动信号模极大值小波消噪方法的改进

针对模极大值小波消噪方法不利于所有信号特征的识别这一缺点,对该算法进行了改进,采用自适应的小波尺度来替换二进小波尺度,以更好地适应测试信号消噪的要求。应用改进前、后的消噪算法分别对实测爆破震动信号进行了分析,并将分析结果进行了比较。比较结果说明:改进后的算法消噪效果更好,消噪后信号同轴清晰、连续性好,信噪比由17.25提高到20.16,可以更好地实现爆破震动信号消噪的目的。     

一种基于多参考信号ICA的重力信号提取方法

海洋重力测量包含大量噪声,其中的低频噪声与重力信号频率相近,常用算法难以有效抑制测量噪声提取重力信号。为了有效地消除海洋重力测量信号的噪声,提高信号的获取精度,根据独立分量分析理论,提出一种基于多参考信号独立分量分析的重力信号提取方法。采用经验模态分解将海洋重力测量信号分解为固有模态分量,同时采用卡尔曼滤波以及小波分解等算法处理重力测量信号,将卡尔曼滤波器和小波分解的滤波结果以及由固有模态分量重构的信号作为独立分量分析算法虚拟通道的参考信号,应用基于负熵的独立分量分析算法估计重力信号。基于实测重力信号对该方法进行了去噪试验,理论分析和试验结果表明,多参考信号独立分量分析的重力信号提取方法能有效的抑制干扰和恢复重力信号波形,与常用的重力信号处理算法相比,海洋重力数据的获取精度大约提高了30%。     

自由面对爆破振动信号能量分布特征的影响

基于爆破振动实测数据, 通过小波分析方法, 得到不同数量自由面爆破振动信号的总能量、各频带的峰值质点振动速度(PPV)及各频带能量, 进而对不同数量自由面爆破振动信号的能量分布特性进行研究。结果表明：开(掏)槽爆破, 由于受单一自由面限制, 大部分炸药爆炸的能量都将作为地震能量消耗掉;自由面越多, 爆破振动信号总能量越少;自由面的数量可影响各频带振动分量分布, 随自由面数量的增加, 爆破振动能量更趋向高频分布, 中低频能量有减少趋势, 振动速度降低;同一振动信号中的高频带PPV虽比低频带PPV高, 但振动持续时间短, 能量衰减较快。建议在工程爆破的减振设计中, 优化起爆方案, 尽量利用多个自由面, 这将比仅仅减少单段起爆药量更有效。

     

隧道掘进爆破振动对地表影响的小波包分析

基于现场实测隧道掘进爆破振动信号数据,采用小波包分析技术对振动信号进行小波包能量谱分析,得到爆破振动信号能量在各频带上的分布。通过比较各点分析结果可以发现隧道掘进爆破地震波能量主要集中在切向与径向。在沿隧道掘进方向随着与掌子面之间距离的增大地震波的主频下降,能量主要集中频带也越来越窄,并且向低频带发展;而在垂向上地震波主频随着埋深的减小而减小,同时地震波的能量主要集中频带也越来越窄并且向低频带发展。最后从能量的角度探讨隧道掘进爆破地震波沿各个方向的衰减规律。     

基于雷管实际延时范围的逐孔爆破振动合成计算与应用

计算多段微差起爆合成振速对城市隧道低振速爆破设计具有非常重要的意义,因普通雷管实际每段都有延时误差,这些误差对低振速指标下微差合成振动影响不能忽略,但各段延时范围将形成海量的多孔微差合成振动曲线导致难以计算。为解决这一问题,将现场单孔爆破曲线作为震源波形,利用傅里叶级数拟合曲线,根据实测各段雷管延时范围特点,采用多级循环嵌套的逻辑语言编写MATLAB计算程序,成功获取8段微差爆破全部可能的合成振动曲线;分析了同段延时误差、不同段之间延时误差对爆破合成振动的影响;以计算合成振动曲线和实测爆破振动曲线对比判定第二临空面形成时间;计算其形成前各段延时范围内所有可能振动曲线后,选择峰值振速不超标的最大药量为设计掏槽药量。在某隧道工程应用表明:第二临空面出现在60ms,在1.0kg设计药量下最大计算合成振速0.62cm/s,与现场实测值吻合较好。     

地应力水平对深埋隧洞爆破振动频谱结构的影响

爆破振动的频谱特性对隧洞安全施工具有重要意义。采用动力有限元方法,分析了不同地应力水平条件下围岩爆破振动频率特征,通过对实测爆破振动信号的时域和频域联合分析,研究了不同频带上的振动能量分布。结果表明,爆破振动的主频及各个振动能量优势频带都有随地应力水平升高而降低的趋势,伴随爆破破岩过程而发生的地应力瞬态卸载动力效应是产生这一现象的主要原因。地应力水平越高,爆破振动信号中20～100 Hz的低频振动能量比重越大。当爆区的地应力为20 MPa时,20～100 Hz频带内的振动能量可达到总振动能量的35%左右;当爆区的地应力为30～50 MPa时,20～100 Hz频带内的振动能量可达到总振动能量的50%以上。除地应力水平外,应力卸载速率及岩体的力学特性也对爆破振动主频具有显著影响,卸载速率越高,低频振动能量比重越大。卸载速率取决于掏槽爆破方式,直孔掏槽导致岩体应变能释放速率最高。岩体弹性模量越大,爆破振动的主频越高。     

自由面数量对水下钻孔爆破振动信号能量分布及衰减规律的影响

针对自由面不仅影响爆破效果还影响爆破振动效应的问题,提出从能量角度探索自由面对水下爆破振动衰减规律的影响。以三峡大坝至葛洲坝水利枢纽河段水下钻孔爆破地震波现场监测数据为基础,结合SPH-FEM数值模拟技术和小波时频能量分析方法,对不同自由面数量的爆破振动信号的总能量、各频带间的能量分布特征及振动衰减规律进行了研究。结果表明:水下钻孔爆破具有低主频、短持时、快衰减的特点,爆破主频带主要集中在15.625～31.250 Hz;受单一自由面限制的水下开槽爆破,监测信号的爆炸能量主要以振动形式消耗,单自由面比振动能为13.14 mm2/(kg·s2),随着后续开挖爆破自由面数量的增加,双自由面和三自由面的比振动能分别降低至1.36和0.28 mm2/(kg·s2),频带质点峰值振动速度分别降低65%和37%,能量更多用于破碎和抛掷岩体,水下爆破振动主频由低频向高频带（31.25～62.50 Hz）发展。因此,在水下控制爆破设计时,需要考虑自由面数量对振动能量分布和衰减规律的影响,并利用这个特征,确定各段的控制药量,减少对周边建构物的共振危害。     

地应力对爆破过程中围岩振动能量分布的影响

对高地应力条件下隧洞爆破开挖过程中围岩振动信号进行小波包分析,得到了振动信号不同频带上的能量分布。实测资料分析结果表明,爆破开挖时,初始地应力动态卸载诱发的围岩振动的频率范围和爆破荷载诱发的围岩振动频率范围基本相同,但地应力卸载诱发的振动中,低频能量占较大的比例;开挖面上的卸载应力值的大小和卸载面的大小共同决定卸载效应的强弱,而这两个因素均与开挖面上的炮孔布置和起爆网络的连接有关。     

爆破振动持时分析及微差爆破延期时间优选

爆破振动持续时间以及微差爆破延期时间分别是爆破振动危害客观评价与主动控制的重要指标,对振动持时影响因素和延期时间优选方法进行深入探究极为必要。结合量纲分析理论,探讨了爆破振动持时影响因素,推导出爆破振动持时预测公式,该公式线性相关性达到89.7%;基于地震波线性叠加原理,通过MATLAB 7.0编程,计算得到毫秒微差爆破不同爆心距处合理延时区间。结果表明,爆破振动信号能量与振动持续时间相关性高,在振动持时预测公式中引入信号能量,可提高预测精度;振动持续时间与比例速度负相关,与比例药量正相关;合理孔间延期时间往往不是某一具体值,而是一个或多个时间区间;不同爆心距处合理延期时间值不同。工程应用表明,给出的爆破振动持时预测公式与微差爆破延时优选方法切实可行。     

地铁隧道毫秒延时爆破环境振动特性研究

基于地铁隧道毫秒延时爆破环境振动特性现场试验,考虑爆破荷载的不规则特性,采用基于非对称加卸载准则的修正Davidenkov本构模型描述场地土体的动力非线性特性;通过改进Friedlander方程来模拟内源爆炸在圆柱形炮孔表面产生的瞬态空气冲击波;实现了包含毫秒延时爆破荷载输入和有限元-无限元耦合边界的地层-爆源体系三维精细化有限元模型,并与现场实测数据对比验证了该模型方法的有效性。对50 ms延时爆破和齐爆引起的环境振动特性进行了数值模拟,对比发现毫秒延时爆破不仅可以有效降低地表峰值振速,而且可以显著改变地表振动的频谱特性。毫秒延时爆破产生的地表振动频带较集中,对分散爆破振动能量的作用显著,且地表速度响应的主频较高,远离建筑结构自振频率,可显著降低爆破施工引起的邻近建筑物的结构振动水平。