松散煤体中声波传播特性及主要路径实验研究

邓 军,屈高阳,任帅京,王彩萍,王津睿,赵小勇,白光星

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院,陕西 西安 710054;2.陕西省煤火灾害防治重点实验室,陕西 西安 710054)

对于声波在多孔介质中传播路径的相关研究,BIOT[11-12]提出声波在非均匀多孔介质中的传播理论,预测声波在媒介中的传播路径取决于声波频率、两项介质的弹性特性、孔隙率、渗透率、弯曲度和等效压力等。田晓培等[13]研究了声波在非均匀介质中的传播特性,分析了声波频率、温度梯度及入射角等因素对声波在非均匀介质中传播的影响。沈阳工业大学颜华团队[14-16]建立了粮食颗粒中声波传播理论模型,认为粮食颗粒间孔隙既有圆柱也有狭缝形状,声波是从粮食颗粒间的空隙进行传输的,并结合声学层析成像技术测量堆积粮食内部的温度分布。HICKLING等[17-18]研究声波在堆积粮食中的传播特性,测量得到二氧化碳饱和的堆积粮食的声速约为200 m/s,而空气饱和的堆积粮食的声速约为240 m/s,即当储罐中的谷物被二氧化碳饱和时,声速显著降低,得到声波主要是通过堆积粮食间的空气间隙传播,且粮食内声波吸收系数和声波频率的平方根成正比,然而,针对声波在松散煤体内传播路径的相关研究较少。

该研究是探索一种应用于煤堆及煤仓的新方法,所做的是声波在松散煤体中传播特性的基础性研究。为了明确声波在松散煤体中传播的主要路径,笔者考虑松散煤体的级配特性,从低、中、高阶煤中分别选取长焰煤、瘦煤及无烟煤作为研究对象,研究了声波在不同气体环境及不同气氛条件下3种煤样的飞渡时间,结合无烟煤重装煤样前后声波飞渡时间,探究了声波在松散煤体中传播的主要路径,研究结果可为声波测温在松散煤体中应用提供一定的理论依据。

1 实验方法及过程

1.1 试样制备

实验分别选用神木四门沟煤矿长焰煤、山西煤电马兰矿瘦煤及山西寺河煤矿无烟煤(以下简称四门沟长焰煤、马兰瘦煤、寺河无烟煤)3种煤样作为研究对象,将煤样从井下运送至实验室,通过鄂式碎煤机破碎后筛选出5种粒径范围(0.9～3 mm、3～5 mm、5～7 mm、7～10 mm及>10 mm)的煤样。级配是体现松散介质空隙度的参数[19-20],为排除其他因素对实验结果的影响,将3种煤样制成相同的级配试样(0.9～3 mm占比10%,3～5 mm占比15%、5～7 mm占比50%、7～10 mm占比15%、10 mm以上占比10%),用于声波在松散煤体中飞渡时间的实验测试。松散煤体的空隙率可由煤的堆积密度与表观密度计算得出,3种煤样的工业分析与空隙率结果见表1。

表1 煤的工业分析及性能指标

1.2 实验测试系统及过程

图1 声波飞渡时间测量系统Fig.1 Acoustic flying time measurement system

声速测量系统包括硬件系统与软件平台,其中硬件系统包括计算机、功率放大器、扬声器、实验管腔、数据采集仪、传声器及气瓶等,其中,实验腔体中包括强吸声体、挡网及进出气小孔,具有密闭特性。软件测试平台包括信号发生、测试、数据采集与处理分析模块,如图1所示。软件测试平台可以产生信号,通过功率放大器后传至扬声器中,扬声器将电信号转换为声信号传入实验腔体中,通过数据采集仪接收传声器收集到的经过实验腔体的声波信号,此时声波由声信号转换为电信号传输到计算机的软件系统中,软件系统对接收到的信号进行进一步的分析处理。该研究实验气体包括二氧化碳、氮气及空气3种气体,在实验过程中实验腔体为全封闭状态。

实验所用的声源信号为1～4 000 Hz的11级伪随机信号,传声器的采样频率为51 200 Hz,为避免实验误差,每种气氛下测试5次,采用互相关分析法得到测试的声波飞渡时间,以其平均值作为最终测试结果。在进行煤样重装前后声波飞渡时间测量时,打开实验腔体后盖,将待测煤样放置在实验腔体内,对实验腔体进行密封处理,其余煤样的处理方式与上述过程一致。两传声器所接收到的信号如图2所示。

1.3 计算方法

声波飞渡时间测量的主要问题是计算声源信号端(传声器1采集到的信号)和接收端(传声器2采集到的信号)之间的延迟时间,用于声学测温信号时延估计方法主要包括人工神经网络、小波分析和互相关函数法等[21-23]。根据众多学者的实验研究,基于互相关函数的声波时延估计较为可靠[24-25],时延估计的本质就是传声器1与传声器2接收到同一信号的时间差,信号处理中寻找接收到信号的相似性是互相关函数的主要任务。互相关算法的主要原理是将存在时间延迟的同源信号利用互相关函数做运算,互相关的极大值点所对应的横坐标即声波飞渡时间。假设信号x1(k)和x2(k)分别为传声器1、2位置信号的离散表示,则它们可以写成以下形式

x1(k)=s(k)+W1(k)

(1)

x2(k)=s(k′-D)+W2(k)

(2)

式中,s(k)为扬声器发出的源信号,即发射的声波信号;k为接收信号的采样数据长度;W1、W2为混入背景噪声之后的信号;D为信号延迟时间。

图2 声波飞渡时间测试信号Fig.2 Acoustic flying time test signal

由文献[26]中给出的基于互相关函数的声波飞渡时间测量方法可知,通过计算两传声器接收到信号的互相关系数,可得到声波在2个传声器之间的飞渡时间。

2 结果与讨论

2.1 声波在气体环境下的飞渡时间

不同气体环境中伪随机声波信号的互相关结果如图3所示。结果表明,伪随机信号的互相关系数峰值相差较近,分布在0.60～0.85,互相关系数的伪峰较低,主峰比较突出。伪随机信号的扫频周期较小,信号经过互相关函数分析后可对其最大旁瓣值产生抑制作用,可以较为容易地确定互相关系数,能够有效降低互相关峰值的误判,可以提高声波飞渡时间测量的准确性。

声波在不同气体中的飞渡时间及声速如图4所示。结果表明,不同气体条件下声波飞渡时间不同,在二氧化碳中的飞渡时间最长,在氮气中的飞渡时间最短(即声波在氮气中的传播速度最快,在二氧化碳气体中的传播速度最慢);声波在空气中与氮气中的飞渡时间相差很小,总体而言在不同气体中声速大小为氮气>空气>二氧化碳,声波传播速度为268.34～352.11 m/s。

图3 不同气体环境中的互相关结果Fig.3 Cross-correlation results of acoustic signals in different gas environments

图4 声波在不同气体环境下的飞渡时间及声速Fig.4 Flying time and speed of sound waves in different gas environments

从图4(b)可以看出,声波在不同气体中传播速度不同,这是因为声波速度与气体的摩尔质量有关[27],一般来说,声波在摩尔质量较高的气体介质中声速较低,在摩尔质量较低的气体介质中声速较高[28]。二氧化碳的摩尔质量为44 g/mol,空气与氮气的摩尔质量分别为29 g/mol与28 g/mol,故声波在二氧化碳中的传播速度最慢,为268.34 m/s,在空气与氮气中的传播速度相近,分别为347.22、352.11 m/s,声波飞渡时间的变化与声波传播速度有关。

2.2 不同气氛条件下3种煤样的声波飞渡时间

不同气氛条件下3种煤样的声波飞渡时间如图5(a)所示,以两传声器之间的距离1.5 m为总路程计算的声速如图5(b)所示。结果表明,声波在同种煤样的不同气氛条件下飞渡时间不同,二氧化碳气氛下声波飞渡时间最长,而氮气气氛下声波飞渡时间最短,波速与飞渡时间变化规律相反;在同一种气氛下,声波在相同级配的不同煤样中飞渡时间相差较小,在长焰煤煤样中传播最快,在瘦煤煤样中传播最慢,声波飞渡时间与煤的变质程度没有表现出明显规律性,其数值在5.13～6.81 ms。

图5 不同气氛条件下3种煤样的声波飞渡时间及声速Fig.5 Acoustic flight time and sound velocity of three coal samples under different atmosphere conditions

松散煤体由煤块和空隙2部分构成,一旦松散煤体的堆积形态发生变化,其空隙必然发生改变,为保持单一变量原则,在保持同一堆积形态下改变气体环境进行测试。相较于级配范围较大的松散煤体,在相同级配条件下,松散煤体堆积密度的变化范围较小,导致声波传播的路径变化较小,进而使声波飞渡时间相近,因此在相同级配的同一气体环境中,声波在长焰煤、瘦煤及无烟煤中的飞渡时间相差较小,表明煤质对声波飞渡时间的影响较小。在同种松散煤体中依次充入不同的气体,声波飞渡时间发生明显变化,且变化趋势与声波在气体中的飞渡时间变化趋势一致,表明声波飞渡时间受空隙中的气体组分影响较大。同种气氛条件下,长焰煤煤样的空隙率最大,声波飞渡时间最短,表明声波传播较为容易,瘦煤的空隙率最小,声波飞渡时间最长。

2.3 声波在松散煤体中的传播路径分析

由图5可知,声波飞渡时间与煤质关系较小,为了排除其他因素对声波飞渡时间的影响,选用无烟煤作为实验煤样,声波在气体环境下及不同气氛条件下无烟煤重新装样前后的声波飞渡时间与声速如图6所示。结果表明,同一气氛条件下声波飞渡时间在装样前后发生了明显的变化,重装煤样后声波飞渡时间变短;相较于声波在气体环境下的飞渡时间,不同气氛条件下的重装煤样前后飞渡时间均变长;3种状态下不同气氛中声波飞渡时间变化规律相同,均为二氧化碳>空气>氮气。

图6 无烟煤重装前后不同气氛中声波飞渡时间及声速Fig.6 Acoustic flight time and sound velocity in different gas fractions before and after reloading of anthracite

对无烟煤煤样倒出后重装,改变了松散煤体的堆积形态,导致声波传播过程中的路径发生改变,使声波飞渡时间变短。声波在不同气氛条件下重装无烟煤前后声波飞渡时间均大于在气体环境中的飞渡时间,表明声波不是沿着直线传播,是在松散煤体中曲折传播的,总的传播路径变长。声波在气体环境中、重装煤样前、重装煤样后3种状态下不同气体条件中的声波飞渡时间变化规律相同(均为二氧化碳>空气>氮气,且在空气与氮气中声波飞渡时间相差较小),声波在二氧化碳气氛下的声速最慢,在氮气气氛下的声速最快,这一点与在不同气体条件下的声波波速实验结果相符,说明声波传播的介质均为气体介质,进一步证明声波是沿着松散煤体内的空隙气体曲折传播的。

2.4 声波飞渡时间变化率分析

声波在3种气氛环境的不同煤样中传播时飞渡时间变化率如图7所示。从图7可以看出,在不同状态下,声波在氮气-空气气氛中飞渡时间变化率均最小;在氮气-二氧化碳气氛中飞渡时间的变化率均最大;不同环境中声波飞渡时间变化率的变化趋势相同;无烟煤重装前后声波在不同气氛中声波飞渡时间变化率相差较小。

图7 不同气氛下声波飞渡时间变化率Fig.7 Change rate of sound wave flying time in different atmospheres

氮气与空气的摩尔质量相近,声波在其中传播时速度相差较小,因此声波在氮气与空气气氛中的飞渡时间变化率最小;氮气与二氧化碳的摩尔质量相差最大,声速相差最大,其在氮气与二氧化碳气氛中的飞渡时间变化率最大,无烟煤在重装前后的堆积形态发生变化,但在同一级配下且煤的种类未变,故飞渡时间变化率相差较小,再次印证了声波在不同煤样的松散煤体中是通过气体介质传播的。

3 结 论

(1)通过测量声波在3种不同气体介质(氮气、空气、二氧化碳)中传播时的飞渡时间,发现声波在二氧化碳中的飞渡时间最长,传播速度最慢,为268.34 m/s;在氮气与空气中的声速比较相近,分别为352.11、347.22 m/s,这样的原因与声波在气体中的传播速度与气体的摩尔质量成反比有关。

(2)通过测量声波在相同级配条件下的3种不同饱和气体松散煤样中的飞渡时间,发现相同级配的松散煤体在同一气氛条件下的声波飞渡时间相近,相较于不同气体中的飞渡时间均变长,表明声波在松散煤体中的飞渡时间与煤化程度关系较小。无烟煤进行重装后的声波飞渡时间变短,但飞渡时间在不同气氛中的变化规律依旧相同(飞渡时间由长到短依次为二氧化碳、空气、氮气)。

(3)研究不同气氛条件下声波飞渡时间变化率,发现在3种气氛环境的不同煤样中,声波在氮气-空气气氛中声波飞渡时间变化率最小;在氮气-二氧化碳气氛中的变化率最大;不同环境中声波飞渡时间变化率的变化趋势相同;无烟煤重装前后声波在不同气氛中声波飞渡时间变化率相差较小,表明声波在3种煤样的五级级配松散煤体中传播时主要沿着松散煤体的空隙进行传播。