负压条件下爆炸罐内爆炸引起筒体振动及噪声特性

2021-03-31林朝键李志敏陆军伟

振动与冲击 2021年6期

汪泉，林朝键，李志敏，陆军伟，李瑞，2

(1.安徽理工大学化学工程学院，安徽淮南 232001；2.安徽省爆破器材与技术工程实验室，安徽淮南 232001；3.安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001)

随着科技的发展，不同领域对材料性能的要求不断提高，金属复合板、复合管具有多种材料优质的性能，如耐腐蚀、耐磨损、高硬度、高强度等性能[1-2]，在航天、轮船和建筑工程等都有广泛的运用。爆炸加工是制作金属复合板的一种方法。但是爆炸加工存在某些缺陷，譬如，在爆炸焊接、爆炸合成时基板和覆板之间容易形成气隙或氧化等，导致金属复合板存在一定缺陷。为了提高爆炸加工复合板的质量，伊朗学者运用计算机模拟最佳加工条件以及超声检测等方法，使金属复合板质量有一定的提高[3]。爆炸加工过程会产生振动和噪声等危害效应，这些有害效应限制了爆炸加工的制作地点[4]，因而爆炸加工作业一般在偏远山区进行，其运输成本较高。解决爆炸加工作业的环保问题以及降低运输成本等问题是目前爆炸加工行业亟待解决的一个问题。

爆炸产生的振动、噪声是限制爆炸加工的一个重要因素，史长根等[5]在爆炸焊接危害机理分析中指出在离起爆点2～3 km处噪声声压级能达140 dB，产生的振动对2 km以内民居的正常的生活造成了较大影响，噪声、振动影响范围较广。针对爆炸振动信号方面，学者多采用傅里叶变换、小波变换、Hilbert-Huang变换等方法进行处理分析[6-10]，但是对于真空爆炸方面的分析较少。爆炸产生的波属于机械波，机械波的传播需要介质，介质越稀薄，能量衰减越严重。文献[11]提出破坏效应与质点振动速度等有着密切的关系，通过负压环境条件下进行爆炸实验，能降低爆炸振动的影响。文献[12]提出噪声可在声源、传播途径以及接收点上进行控制。文献[13-14]研究了地形对爆炸效应的影响，提出挖掘隔振沟降低爆炸产生的振动，并在一定程度上降低爆炸产生的振动。李晓杰等[15]提出使用局部真空爆炸焊接方法可提高爆炸焊接质量，并实现较稳定的爆炸焊接。牛爱红[16]提出使用真空爆炸容器进行爆炸加工实验，可降低爆炸产生的有害效应，能有效提高爆炸焊接成功的比率，并且性能和质量更优。若将抽真空技术应用于爆炸加工作业有望使得爆炸加工企业城市化、工厂化。

基于此自行设计制造一套34.8 L抽真空爆炸罐系统，研究负压条件下爆炸罐内爆炸引起的筒体振动和噪声传播规律，探究振动与噪声信号衰减规律，以期指导真空爆炸加工工程实践。

1 实验设计及信号分析方法

1.1 实验系统

实验系统主要包括爆炸罐、抽真空装置、NuBox8016型爆破振动测试仪、SZ4A型四通道噪声与振动测试仪、起爆装置等。爆炸罐为圆柱体，容积为34.8 L，筒体直径32 cm(内径)，筒体高度43 cm，壁面厚度为0.6 cm。实验采用8号工业电雷管(爆炸当量约为1.07 gTNT)作为爆炸源，聚能穴朝下，垂直于罐体底部。实验中使用真空泵抽取空气，压力表测量爆炸罐内部压力；振动传感器布置在罐体盖上方；噪声传感器布置在距离罐体50 cm处。

图1 实验测试系统示意图Fig.1 Schematic diagram of the experimental test system

1.2 信号分析方法

采用经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)方法[17]。将振动信号所有的极值点找出，用两条包络线分别把极大点和极小点连接起来，计算出两条包络线的平均值m1(t)，原始信号v1(t)减去m1(t)得到h1(t)，即

h1(t)=v1(t)-m1(t)

(1)

在这个数据列中，当极值点与过零点数量相比不超过一个时，且信号以时间轴局部对称，可以认为h1(t)是信号数据中的第一个imf1，若不满足这两个条件，将h1(t)设为原始信号重复上述过程直到找出符合条件的hk(t)，即为imf1，将hk(t)作为新信号，重复上述步骤，直到满足：

(2)

找出所有imf分量，结束循环，最后一个imfn是分解余量。

对于噪声信号，因采集频率低，仅对噪声声压级时程曲线进行分析。

2 实验结果与讨论

2.1 筒体振动信号分析

将爆破振动测试仪测得的筒体振动数据进行整理，分为三个方向，径向(爆破振动测试仪X方向)、切向(爆破振动测试仪Y方向)以及垂直方向(爆破振动测试仪Z方向)。筒体振动测试结果如表1所示。

表1 筒体振动测试结果Tab.1 Test results of cylinder vibration

因雷管聚能穴朝下，轴向冲击作用强，其引起的垂直方向振动速度也较大，该规律与文献[18]有较好的一致性。振动的峰值速度随罐体内真空度的提高呈下降趋势，其中垂直方向(Z方向)下降最明显；常压条件下爆炸引起的筒体振动的主振频率在460 Hz左右，随着真空度的提高爆炸引起筒体振动的主振频率呈上升趋势。

根据文献[19]，取垂直方向振动数据进行进一步分析，采用Origin软件绘制筒体振动波形以及快速傅里叶变换(fast Fourier transformation，FFT)的幅度谱图，如图2所示。在图2中：(a)中筒体振动峰值速度高达14.26 cm/s;(b)中筒体峰值速度最高为7.58 cm/s;(c)中筒体峰值速度最高为4.32 cm/s。本实验测试的是筒体的振动信号，振动较为强烈。药量很小仅有1.07 gTNT当量，振动持续时间较短。主振频率随着真空度的提高呈上升趋势，由于波到达壁面时能量较低，筒体振幅小，周期短，导致主振频率增大。根据FFT幅度谱可以看出，在常压条件下，爆炸振动的主振频率集中在450～500 Hz；-50 kPa时，主振频率集中在500～750 Hz；当筒体内部接近真空时，主振频率集中在750～1 000 Hz。由此可认为：随着真空度提高，爆炸振动的主振频率呈上升趋势。文献[20]中，频率主要分布在10～700 Hz，与本实验数据有较好的一致性。

图2 不同负压条件下筒体垂直方向的振动变化曲线以及FFT幅度谱图Fig.2 Vertical vibration variation curve and FFT amplitude spectrum of the cylinder under different negative pressure conditions

在实验条件为常压、-50 kPa,-99 kPa的条件下，筒体垂直方向振动的FFT幅度谱最高幅度频率分别为468 Hz,558 Hz,772 Hz，与主振频率几乎一样，说明振动测试仪测得的主振频率即FFT幅度谱最高幅度频率。当筒体内部接近真空时，相比于常压情况爆炸振动峰值速度明显衰减，振动持续时间也明显缩短。爆炸产生的波属于机械波，机械波的传播需要介质，介质越稀薄，能量衰减越严重，振动持续时间也随真空度提高而逐渐下降。由于振动信号是非平稳随机信号，再加上杂波、噪声等导致FFT幅度谱图中振幅有所失真。

使用Matlab软件编写程序，对垂直方向振动数据进行EMD分析，得到筒体振动的imf分量，如图3所示。

根据图3分解振动信号得到的imf分量，计算各个imf分量与所有imf分量之和的百分比，该比值可认为是对应的分解信号在整个振动过程中能量贡献的百分比，如图4所示。

从图3和图4中可以看出，在0 kPa条件下筒体振动速度信号进行EMD分解得到9个imf分量和一个余量imf10，其中imf2分量贡献率最高达到60%以上，其余分量为低频信号贡献率较低；在-50 kPa条件下筒体振动速度信号进行EMD分解得到8个imf分量和一个余量imf9，imf1和imf2之和占贡献率超过80%，imf5～imf8所占贡献率较低；-99 kPa条件下筒体振动速度信号进行EMD分解得到10个imf分量和一个余量imf11；imf1贡献率达到40%以上，imf2～imf5贡献率均低于imf1，imf6～imf10贡献率很低，图4(a)中imf1方差贡献率较低，而图4(b)和图4(c)的imf1却较高，文献[21]中提出imf1较低是由于高频噪声造成的，图4(b)和图4(c)是在一定真空度下进行的，高频噪声对其影响较小，所以imf1较高；分解余量很低，可能与仪器的零点漂移有关。综上所述可认为：真空条件下爆炸实验降低了高频噪声对振动信号的干扰；随着真空度的提高，高贡献率的imf分量个数呈现增多趋势。

图3 不同负压条件下爆炸振动的imf分量Fig.3 The imf component of explosion vibration under different negative pressure conditions

图4 不同真空压力下振动信号各imf分量的贡献率Fig.4 The contribution rate of each imf component of the vibration signal under different vacuum pressures

2.2 爆炸噪声声压级分析

采用SZ4A型四通道噪声与振动测试仪测试爆炸噪声声压级，该噪声测试仪距离抽真空爆炸罐体外部距离为50 cm。图5为压力为0 kPa，-50 kPa，-99 kPa条件下爆炸噪声声压级时程曲线图。

图5 不同真空压力下爆炸噪声声压级时程曲线Fig.5 Time-history curve of sound pressure level of explosion noise under different vacuum pressure conditions

分析图5，实验环境的背景噪声声压级在50 dB左右，比一般环境声压级略高，其主要是由设备(电脑、示波器)噪声引起的。图中除了爆炸噪声外还有其他噪声，在最大声压级之前有一个小的峰值，是使用发爆器充电造成的。其他的小噪声主要是人为干扰，噪声较小，影响可忽略不计。随着真空度的提高，爆炸噪声也随之下降。分析原因为：声波属于机械波，机械波的传播需要介质，介质越稀薄，声音衰减越严重。从实验数据可看出，爆炸噪声声压级随真空度提高明显降低，当真空度提高，爆炸噪声声压级随之降低。

根据图5，对噪声数据进行整理，得到最大声压级，如表2所示。

表2 罐体内不同真空压力条件下爆炸产生的噪声最大声压级Tab.2 Maximum sound pressure level of explosion noise in tank body under different vacuum pressure conditions

分析表2可知，在接近真空条件下，爆炸引起的噪声声压级不超过100 dB，这是在距离装置50 cm的条件下测得的，当距离增大噪声迅速衰减，在5 m外时噪声声压级约为60～70 dB。爆炸罐内真空度提高有助于降低爆炸噪声，当罐体内真空压力为-99 kPa时，与常压相比爆炸噪声的声压级降低了18.3%。分析认为：当真空条件下，爆炸产生少量气体，波前气体稀薄或几乎无空气介质，此时波阵面和爆炸气体一同向外层运动，波的运动速度不会超过爆炸气体运动速度，此时冲击波相关理论不适用，相关基础理论有待下一步进行深入研究。