爆破振動信號的HHT分析與應(yīng)用

前言

　　隨著社會的迅猛發(fā)展和爆破技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人們對爆破振動危害的關(guān)注日益加強(qiáng)。盡管國內(nèi)外研究者在爆破地震波的傳播理論、危害機(jī)制、控制手段等方面進(jìn)行了大量富有成效的研究，但由于爆破具有瞬時性、危害性，傳播介質(zhì)的復(fù)雜性，受振對象的多變性等特點(diǎn)，爆破振動研究及災(zāi)害控制依然是一個艱巨而復(fù)雜的研究課題。　　基于此，作者結(jié)合國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目“深部多相多場耦合作用及其災(zāi)害發(fā)生與防治（50490274）”和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于HHT與瞬時輸入能量分析的爆破振損機(jī)理與危害控制研究（50764001）”，在查閱大量國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)和進(jìn)行大量爆破振動現(xiàn)場監(jiān)測的基礎(chǔ)上，利用Matlab編程語言開發(fā)平臺，就Hilber-Huang變換（HHT）理論在爆破振動分析、建（構(gòu)）筑物受爆破振動能量破壞機(jī)理及爆破振動危害控制等方面的應(yīng)用開展了深入而系統(tǒng)的研究。主要內(nèi)容包括：（1）在探討HHT理論的原理、算法及存在問題的基礎(chǔ)上，采用快速傅里葉變換（FFT）、短時傅里葉變換（STFT）、小波變換（WT）和HiJbert-Htrang變換等，對爆破振動信號進(jìn)行時頻分析比較，結(jié)果證明了HHT法在爆破振動信號分析中的適用性和優(yōu)越性。首次將HHT變換理論應(yīng)用到爆破振動領(lǐng)域，開創(chuàng)了爆破振動信號處理的新方法。（2）首次運(yùn)用小波變換和HHT法對實(shí)測爆破振動信號從信號重構(gòu)、頻譜特性、突變檢測、分辨率和消噪濾波等方面進(jìn)行了比較研究，并將經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）用于爆破振動信號的消噪濾波和微差延時的識別。（3）通過對信號進(jìn)行HHT變換，得到IMF分量、瞬時能量、邊際譜和能量譜，揭示了硐室大爆破地震波的時頻特征、能量分布、傳播規(guī)律及場地條件對振動波傳播的影響規(guī)律。

內(nèi)容概要

　　本書從介紹爆破地震波特性開始，就Hilbert—Huang變換（HHT）理論在爆破振動分析、建（構(gòu)）筑物受爆破振動能量破壞機(jī)理及爆破振動危害控制等方面的應(yīng)用，展開了深入而系統(tǒng)的研究。本書將HHT變換理論應(yīng)用到爆破振動領(lǐng)域，將經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）用于爆破振動信號的消噪濾波和微差延時的識別，結(jié)合HHT理論，從瞬時輸入能量角度研究了受爆破振動作用的建（構(gòu)）筑物的破壞機(jī)理，并基于能量判別原理，提出了基于最大瞬時輸入能量等效速度EVE的爆破振動統(tǒng)一安全判據(jù)法?！　”緯晒┍萍跋嚓P(guān)專業(yè)的工程技術(shù)人員和有關(guān)院校師生閱讀使用。

書籍目錄

1　緒論1.1　爆破地震波特性與振動信號分析技術(shù)的研究現(xiàn)狀1.1.1　爆破地震波特性研究1.1.2　爆破振動信號分析技術(shù)1.2　爆破振動對建（構(gòu)）筑物的破壞機(jī)理1.2.1　建（構(gòu)）筑物的地震破壞影響因素1.2.2　地震對建（構(gòu)）筑物破壞機(jī)理的研究與進(jìn)展1.2.3　基于能量概念的建（構(gòu)）筑物爆破振動破壞機(jī)理1.3　爆破振動安全判據(jù)與危害控制2　爆破地震波特性研究2.1　爆破地震波的分類2.2　地震波傳播速度2.3　爆破地震波傳播的特性2.3.1　地震波的特征2.3.2　地震波傳播的方式2.3.3　波的衰減與吸收2.3.4　黏彈性介質(zhì)的力學(xué)模型2.4　爆破地震波與自然地震波2.5　小結(jié)3　爆破地震信號的HHT分析法3.1　HHT分析法3.1.1　經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解（EMD）原理與算法3.i.2　Hilbert變換與Hilbert譜3.1.3　HHT法的優(yōu)越性3.2　HHT法的仿真實(shí)例3.3　基于HHT的爆破振動信號分析3.4　HHT法研究的有關(guān)問題3.4.1　分解方法3.4.2　信號的物理解釋3.4.3　端點(diǎn)效應(yīng)3.4.4　信號長度的選取3.5　HHT法的完備性與正交性3.5.1　完備性的驗(yàn)證3.5.2　正交性3.6　小結(jié)4　爆破振動信號小波分析與HIlT變換比較4.1　爆破振動信號時頻分析4.1.1　傅里葉變換4.1.2　短時傅里葉變換4.1.3　小波變換4.1.4　HHT變換4.2　爆破振動信號的小波分析與HHT變換4.2.1　信號的分解過程及信息重構(gòu)4.2.2　信號的頻譜分析4.2.3　信號突變檢測4.2.4　信號的分辨率對比4.2.5　消噪與濾波4.3　小結(jié)5　硐室大爆破振動特征分析5.1　爆破振動監(jiān)測系統(tǒng)5.2　爆破振動信號分析5.2.1　工程背景5.2.2　大爆破振動監(jiān)測5.2.3　基于HHT方法的振動特征分析5.3　小結(jié)6　建（構(gòu)）筑物受振破壞機(jī)理6.1　建（構(gòu)）筑物受爆破振動破壞的形式和因素6.2　能量破壞機(jī)理6.2.1　能量反應(yīng)方程6.2.2　瞬時輸入能量6.2.3　瞬時輸入能量的計算6.3　爆破振動特性對建（構(gòu)）筑物破壞的影響6.3.1　爆破振動三要素對建（構(gòu)）筑物破壞的影響6.3.2　地基場地特性對建（構(gòu)）筑物作用的分析6.3.3　爆破地震累積作用6.3.4　建（構(gòu)）筑物本身特性的影響6.4　小結(jié)7　爆破振動安全評估7.1　爆破振動統(tǒng)一安全判據(jù)7.1.1　能量判別原理7.1.2　瞬時輸入能量的等效速度7.1.3　爆破振動EVE判別法的計算過程7.1.4　有關(guān)系數(shù)的選取7.2　工程實(shí)例分析7.2.1　分析一7.2.2　分析二7.3　基于能量破壞機(jī)理的爆破振動危害控制7.4　小結(jié)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　2 爆破地震波特性研究　　當(dāng)炸藥在巖土體中爆炸時，一部分能量引起炸藥周圍介質(zhì)的擾動，并以波的形式向外傳播。人們通常認(rèn)為：在爆破近區(qū)（藥包半徑R0的10－15倍）傳播的是沖擊波；在爆破中區(qū)（15R0-400R0）傳播的是應(yīng)力波；在爆破遠(yuǎn)區(qū)傳播的是地震波，由應(yīng)力波到達(dá)界面產(chǎn)生反射和折射疊加而形成［30］。這是傳統(tǒng)意義上的爆破地震波。隨著研究的深入，爆破地震波又形成了雙源傳遞理論。這種理論認(rèn)為：在接近地表的巖土中的爆破可視為雙源傳播機(jī)理，第一個源是藥包爆炸主生的爆炸（沖擊）波，它傳遞一個從藥包向各個方向傳播的壓力波；第二個源為鼓包運(yùn)動激起的從震中傳播的地震波［170］。實(shí)際上地下爆炸只產(chǎn)生初級地震波，而空氣與水中爆炸或接近地表的地下爆炸將產(chǎn)生初級地震波，同時還會產(chǎn)生諸如二次拍振、落地沖擊振動和因巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的構(gòu)造振動等次級地震波?！　”频卣鸩ㄊ且环N由爆源附近的應(yīng)力波轉(zhuǎn)換而來在巖土介質(zhì)中傳播的一種能量逐漸衰減的擾動。在無限介質(zhì)內(nèi)，這種擾動以體波和面波的形式向外傳播，傳播過程中波的有關(guān)參數(shù)和時頻特征常與爆源條件、傳播介質(zhì)的物理性質(zhì)、結(jié)構(gòu)特征及地形等因素息息相關(guān)。由于實(shí)際的傳播介質(zhì)是具有黏彈性性質(zhì)的非常復(fù)雜的巖土介質(zhì)，波在傳播時往往會經(jīng)過多次的反射、折射、繞射、衍射、波型轉(zhuǎn)換甚至波導(dǎo)、層間波等復(fù)雜現(xiàn)象，并因爆源的波陣面形式不同而發(fā)生不同的幾何衰減，同時還因黏彈性介質(zhì)內(nèi)的內(nèi)摩擦和熱傳導(dǎo)導(dǎo)致能量的耗散現(xiàn)象，使得地震波的傳播過程是一個波能不斷衰減的過程?！　⊙芯勘砻鳎罕ㄋ尫诺哪芰恐?，只有一小部分轉(zhuǎn)化為地震波，其能量所占百分比因傳播介質(zhì)不同而異。在于土中為2％-3％，在濕土中為5％-6％，在水中約為20％。

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