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基于反应谱的爆破震动信号分析支成江;陶铁军【摘要】反应谱理论主要通过假定的单自由度弹性阻尼体系的最大响应值来描述结构体所受震动的特征,它较简单明确地反映了震动信号特征与结构体响应特征的双重含义.依托现场工程实例,借助MATLAB R2008a为研究平台,应用反应谱理论对现场实测的爆破震动数据进行计算,得到相对位移、相对速度、绝对加速度和标准加速度反应谱曲线,通过对反应谱曲线规律的分析总结,证明了反应谱理论应用于爆破震动信号分析是可行的,并对矿山下阶段安全生产提供一定的指导意义.【期刊名称】《现代矿业》【年(卷),期】2014(000)012【总页数】4页(P33-36)【关键词】反应谱;爆破震动;信号分析;MATLAB【作者】支成江;陶铁军【作者单位】贵州新联爆破工程集团有限公司;贵州新联爆破工程集团有限公司【正文语种】中文20世纪40年代，美国学者Biot.M.A首次提出了反应谱的理论[1]，并采用扭摆模拟方法绘制了加速度反应谱，提出了利用反应谱来表示复杂地震动的特征，使其具有明确的工程意义[2]。
到50年代初，Housner根据当时积累的地震加速度记录确定了可供使用的平均反应谱曲线和标准反应谱曲线[3]，并在50年代末给出了世界上第一条设计谱。
1956年，Newmark首次将反应谱理论应用于实际工程设计中，随后欧美国家开始广泛应用这一反应谱理论[3]。
20世纪50年代，我国初步开始对爆破地震效应进行研究，到50年代中期，反应谱理论被初步应用于我国的抗震设计中。
1962年，谢毓寿通过对不同地质条件进行试验，总结出了爆破地面质点的振动速度的经验公式，同时也提出不同建筑物的破坏标准[4]。
本文结合工程实例，以MATLAB R2008a为研究平台，对现场实测的爆破震动数据进行反应谱计算，得到其爆破震动加速度曲线，应用加速度反应谱对现场实测的爆破震动信号进行分析。
某矿区南北长17.5 km，东西宽2.25～4 km，面积约51 km2，地理坐标为东经107°20′～107°25′，北纬26°55′～27°05′。
基于小波方法的实测爆破振动信号综合分析小波方法能较好地对爆破振动信号进行频谱分析，可获得爆破振动信号小波多分辨率分析的各频带能量分布，更能直接反映出振动信号的能量分布规律。
为施工人员了解场地性质并更好地指导爆破设计，达到最佳爆破效果及降低爆破振动效应提供帮助。
标签：小波方法爆破振动信号分辨率1 概述爆破振动信号分析是研究爆破振动危害控制技术的基础和前提。
通过对爆破振动信号特征的分析研究，可以帮助施工人员了解场地性质并更好地指导爆破设计，达到最佳爆破效果及降低爆破振动效应的目的。
小波变换的数学基础是19世纪的Fourier变换，由1984年法国地球物理学家Morlet提出了小波的概念，小波变换对信号的自适应特性，使它在工程技术和信号处理方面获得广泛应用，特别适合于爆破振动这种持时短、突变快特性信号的分析处理。
2 基于小波方法的实测爆破振动信号分析2.1 选取实测爆破振动信号1、2（如图1，2）2.2 小波方法分析对实测信号1、2，进行连续小波时频分析，从而观测信号时间尺度的变换。
从图3到图4中可以观测到各个时间段的小波频率分布情况。
选取sym8小波基，对信号1、2进行小波分解。
對信号1、2进行尺度为8的小波分解，获得爆破振动信号9个频带的爆破振动分量的时程曲线，如图5、图6所示。
图中的A8及Dl～D8为小波分量，其中A8为低频分量、D1～D8为高频分量。
使用MATLA语言编制计算程序，可获得该爆破振动信号小波多分辨率分析的各频带能量分布。
更能直接反映出振动信号的能量分布规律。
3 结论小波方法能较好地对爆破振动信号进行频谱分析，具有多分辨率的特点，可以由粗到细地逐步观察信号；小波分析理论是建立在实变函数、复变函数、泛函分析、调和分析这些近代数学理论基础上的，理论基础完善；它可以在时域和频域揭示信号的特征。
参考文献：[1]胡昌华.基于MATLAB的系统分析与设计——小波分析[M].西安电子科技大学出版社，1999.[2]李夕兵，张义平.基于HHT方法的爆破地震信号分析[J].工程爆破，2005，（01）：1-7.[3]练友红.爆破振动信号的频谱分析[J].矿业安全与环保，2004，（01）：49-52.[4]霍永基.爆破地震波谱分析及其研究[M].水利电力出版社，1984.[5]黄树棠，张雪亮.爆破振动效应[M].北京：爆破振动出版社，1981.[6]石崇.爆破地震效应分析与安全评价[D].山东科技大学，2005.[7]朱德达.我国爆破地震效应的研究[J].长沙矿山研究院季刊，1988，8（1）：39-45.项目基金：六盘水师范学院校级课题（lpssy201118）；贵州省教育厅采矿工程重点支持学科（黔教高发[2011]275号）。
仪器名词：爆破震动监测分析仪一：可开设的实验1.爆破震动监测实验2.爆破震动波形预测实验3.爆破药量预测实验4.爆破震动强度预测实验5.单一质点震速安全判据实验6.速度—频率相关安全判据实验7.爆破震动对邻近建筑物的破坏规律实验8.研究爆破地震波在不同传播介质性和场地条件而变化的规律。
二：原理及目的爆破震动测试采用电测法对爆炸载荷在介质中的电学量进行转换，从而达到测震目的，该过程利用敏感元件在磁场中的相对运动，产生与地震形成一定比例关系的电信号，经过放大器和记录装置得到震动信号，将震动信号进行频谱分析和能量衰减分析，获得震动速度、震动主频等安全判据参数，最终实现波形、药量、震动强度预测。
三操作规程方法3.1仪器面板说明（1）监测分析仪面板（图3-1）仪器左右面板接口依次是：网络接口、充电接口、震动信号仪器操作界面从左到右依次是：待机、背光、记录、取消、确定及方向键网络接口：仪器连接计算机数据通信充电接口：给机内电池充电震动接口：连接传感器，震动信号的入口待机：关闭背光情况下等待震动信号的工作状态背光：打开或关闭显示屏背光记录：进入记录震动信号快捷键，默认上次记录参数，功能模式取消：返回上一步，取消功能确定：进入下一步，选定功能方向键：移动光标，波形数值切换，记录时间上下翻阅3.2电源适配器说明电源适配器有两种功能：（1）给仪器供电(6V)；（2）给机内电池充电(6V/1.5A)；电源适配器前面板上方的指示灯为红灯时表示充电状态，指示灯为绿灯时表示充电完毕。
正确的充电、用电方法：爆破震动监测分析仪内部装有高能量镍氢可充电电池，充满电后可供仪器连续工作72小时以上。
正确的镍氢电池充、放电方法及注意事项：（1）最好是电池能量快用完时才充电；（2）每次充电要充足（建议用户白天在室外工作一天后，晚上给电池充电一晚上，使用快速充电电源者除外）；（3）电源适配器中装有专用的镍氢电池充电器，当电池充满电后指示灯会转为绿灯。
爆破震动信号的多分辨小波分析
爆破震动信号的多分辨小波分析
采用小波分析和快速傅立叶变换相结合的方法,对工程案例的爆破震动近、中远区的实测原始信号进行小小波分解和重构,得到重构后各子频带的时间信号及频谱,在此基础上通过Matlab语言编写程序研究爆破地震波沿各分区信号的频谱及能量分布特征.指出:爆破震动各分区的主频从大到小排序为:近区>中区>远区;随着比例距离的增加,低频带能量所占信号总能量的比例升高,高频带能量所占比例下降;频率越低的频带信号,持续时间越长;除主频所在频带外,在0～2.441 5 Hz频段(比较接近建筑物的自振频率),爆破震动信号在水平方向占有不小的能量比例,故建筑物进行结构设计时考虑水平方向的抗震尤为重要.
作者：陈士海魏海霞杜荣强作者单位：山东科技大学,土木建筑学院,青岛,266510 刊名：岩土力学ISTIC EI PKU 英文刊名：ROCK AND SOIL MECHANICS 年，卷(期)： 2009 30(z1) 分类号：O381 关键词：爆破爆破震动小波分析能量。
爆破振动信号分析技术研究由于爆破振动信号具有短时非平稳的特点，传统的傅里叶变换不能满足爆破振动信号的研究，现已出现了很多信号分析方法。
本文结合现代爆破振动信号分析常用的傅里叶变换、短时傅里叶变换、小波变换、小波包变换、HHT变换的原理分析了各种方法的优缺点，并简述爆破振动分析技术的研究现状。
标签：爆破振动信号；傅里叶变换；技术1 引言现代爆破技术越来越广泛地应用于矿山、水利、交通、隧道开挖等工程。
在完成岩石爆破破碎的同时，必会伴生爆破飞石、地震波、噪音、粉尘等爆破公害。
爆破地震波对周围建筑物的影响即爆破地震效应产生的破坏作用可谓爆破公害之首，爆破振动危害控制一直是国内外爆破安全技术的重要研究课题。
爆破振动信号的分析技术又是研究爆破振动控制的基础和前提。
对实测的爆破地震波采用各种数字信号处理技术进行分析和处理，提取信号的时频特征，一直是爆破振动信号分析的主要研究方向之一。
爆破地震波作为一种由爆炸应力波转换而来的、在岩土介质中传播的能量逐渐衰减的扰动，所产生的振动信号具有短时、突变快等特点，是一种典型的非平稳随即信号[1]。
基于平稳信号理论的傅里叶变换在爆破振动信号分析中存在极大的局限性，目前已出现了很多信号分析方法。
本文将简单介绍现代爆破振动信号分析中常用的傅里叶变换、短时傅里叶变换、小波变换、小波包变换以及HHT 变换在爆破振动信号处理中的应用，并从时频局部化和分辨率等方面较为详细地阐述各种方法的优缺点。
2 傅里叶变换（FT）FT具有良好的频域分辨率，基函数易于分解，且计算方便，同时由于库利和图基开创了快速算法，使其在爆破振动信号分析中的得到了广泛地应用。
宋熙太[2]通过FT对大型洞室爆破实验进行分析，指出爆破远区爆破振动波的各种成分可在时空上彼此分离；并认为远区波谱地震波的传播是一线性过程。
E D Siskind论述了频谱成分和响应谱在采矿爆破振动中的应用。
张奇等通过FT指出爆破地震波频谱特性与测点距离、传播路径、装药量等有一定的相关性。
爆破震动信号的小波分析摘要：采用小波分析原理对爆破震动信号进行小波分析，根据爆破震动信号的时频分布，求出了不同频带的相对能量分布，得出了爆破震动信号能量的分布规律，通过实例证实爆破震动信号的能量能反映出爆破3要素（速度、频率、时间）的综合作用。
关键字：爆破震动信号，小波分析，能量分布1引言爆破所引起的震动是由不同频率、不同幅值的波动在一个有限时间范围内组合的随机过程。
振幅、频率和持续时间被称为爆破震动的三要素，而最大振幅又与速度、加速度密切相关。
若已知位移、速度和加速度三个参数中的任一个，经过积分或微分便可求出另二个。
故速度、频率和持续时间也是表征爆破震动强度的三个必不可少的参量。
爆破地震波是由不同频率、不同幅值的波在一个有限时间范围内组合的随机过程。
爆破地震波的频率成分、频带范围很宽，其最大振幅所对应的主频率范围一般主要集中在0.5~200Hz。
频率特性在爆破震动波对结构体危害中的作用在于结构体对于介质中传来的爆破震动波的选择放大，从爆源传来的大小和周期不同的爆破震动波群进入结构体时，结构体会使与结构体固有周期相一致的某些频率波群放大并通过，而将另一些与结构体固有周期不一致的某些频率波群缩小或滤掉。
正是因为结构体对于震动频率的选择，使得频率对于爆破震动的危害显得尤为重要。
小波变换具有较好的时频特性，研究爆破震动信号不同频带的能量分布，作为判断爆破震动对建（构）物的影响依据。
2爆破震动信号小波分析原理小波分析是一种变分辨率的时频分析方法。
当分析高频信号时(对应小尺度)，时窗自动变窄，因而具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率；分析低频信号时(对应大尺度)，时窗自动变宽，因而具有较高的频率分辨率和较低的时间分辨率，这正符合实际非平稳信号的高频信号变化迅速、低频信号变化缓慢的特点。
小波函数的这种在时域和频域同时具有良好的局部化特性，使它在分析信号时具有“自适应性”，这正是小波分析一个非常突出的优点。
