負(fù)壓條件下爆炸罐內(nèi)爆炸引起筒體振動(dòng)及噪聲特性

汪 泉，林朝鍵，李志敏，陸軍偉，李 瑞，2

(1.安徽理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.安徽省爆破器材與技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；3.安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

隨著科技的發(fā)展，不同領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿囊蟛粩嗵岣?，金屬?gòu)?fù)合板、復(fù)合管具有多種材料優(yōu)質(zhì)的性能，如耐腐蝕、耐磨損、高硬度、高強(qiáng)度等性能[1-2]，在航天、輪船和建筑工程等都有廣泛的運(yùn)用。爆炸加工是制作金屬?gòu)?fù)合板的一種方法。但是爆炸加工存在某些缺陷，譬如，在爆炸焊接、爆炸合成時(shí)基板和覆板之間容易形成氣隙或氧化等，導(dǎo)致金屬?gòu)?fù)合板存在一定缺陷。為了提高爆炸加工復(fù)合板的質(zhì)量，伊朗學(xué)者運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬最佳加工條件以及超聲檢測(cè)等方法，使金屬?gòu)?fù)合板質(zhì)量有一定的提高[3]。爆炸加工過(guò)程會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲等危害效應(yīng)，這些有害效應(yīng)限制了爆炸加工的制作地點(diǎn)[4]，因而爆炸加工作業(yè)一般在偏遠(yuǎn)山區(qū)進(jìn)行，其運(yùn)輸成本較高。解決爆炸加工作業(yè)的環(huán)保問(wèn)題以及降低運(yùn)輸成本等問(wèn)題是目前爆炸加工行業(yè)亟待解決的一個(gè)問(wèn)題。

爆炸產(chǎn)生的振動(dòng)、噪聲是限制爆炸加工的一個(gè)重要因素，史長(zhǎng)根等[5]在爆炸焊接危害機(jī)理分析中指出在離起爆點(diǎn)2～3 km處噪聲聲壓級(jí)能達(dá)140 dB，產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)2 km以內(nèi)民居的正常的生活造成了較大影響，噪聲、振動(dòng)影響范圍較廣。針對(duì)爆炸振動(dòng)信號(hào)方面，學(xué)者多采用傅里葉變換、小波變換、Hilbert-Huang變換等方法進(jìn)行處理分析[6-10]，但是對(duì)于真空爆炸方面的分析較少。爆炸產(chǎn)生的波屬于機(jī)械波，機(jī)械波的傳播需要介質(zhì)，介質(zhì)越稀薄，能量衰減越嚴(yán)重。文獻(xiàn)[11]提出破壞效應(yīng)與質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度等有著密切的關(guān)系，通過(guò)負(fù)壓環(huán)境條件下進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn)，能降低爆炸振動(dòng)的影響。文獻(xiàn)[12]提出噪聲可在聲源、傳播途徑以及接收點(diǎn)上進(jìn)行控制。文獻(xiàn)[13-14]研究了地形對(duì)爆炸效應(yīng)的影響，提出挖掘隔振溝降低爆炸產(chǎn)生的振動(dòng)，并在一定程度上降低爆炸產(chǎn)生的振動(dòng)。李曉杰等[15]提出使用局部真空爆炸焊接方法可提高爆炸焊接質(zhì)量，并實(shí)現(xiàn)較穩(wěn)定的爆炸焊接。牛愛(ài)紅[16]提出使用真空爆炸容器進(jìn)行爆炸加工實(shí)驗(yàn)，可降低爆炸產(chǎn)生的有害效應(yīng)，能有效提高爆炸焊接成功的比率，并且性能和質(zhì)量更優(yōu)。若將抽真空技術(shù)應(yīng)用于爆炸加工作業(yè)有望使得爆炸加工企業(yè)城市化、工廠化。

基于此自行設(shè)計(jì)制造一套34.8 L抽真空爆炸罐系統(tǒng)，研究負(fù)壓條件下爆炸罐內(nèi)爆炸引起的筒體振動(dòng)和噪聲傳播規(guī)律，探究振動(dòng)與噪聲信號(hào)衰減規(guī)律，以期指導(dǎo)真空爆炸加工工程實(shí)踐。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及信號(hào)分析方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括爆炸罐、抽真空裝置、NuBox8016型爆破振動(dòng)測(cè)試儀、SZ4A型四通道噪聲與振動(dòng)測(cè)試儀、起爆裝置等。爆炸罐為圓柱體，容積為34.8 L，筒體直徑32 cm(內(nèi)徑)，筒體高度43 cm，壁面厚度為0.6 cm。實(shí)驗(yàn)采用8號(hào)工業(yè)電雷管(爆炸當(dāng)量約為1.07 gTNT)作為爆炸源，聚能穴朝下，垂直于罐體底部。實(shí)驗(yàn)中使用真空泵抽取空氣，壓力表測(cè)量爆炸罐內(nèi)部壓力；振動(dòng)傳感器布置在罐體蓋上方；噪聲傳感器布置在距離罐體50 cm處。

圖1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental test system

1.2 信號(hào)分析方法

采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(empirical mode decomposition,EMD)方法[17]。將振動(dòng)信號(hào)所有的極值點(diǎn)找出，用兩條包絡(luò)線分別把極大點(diǎn)和極小點(diǎn)連接起來(lái)，計(jì)算出兩條包絡(luò)線的平均值m1(t)，原始信號(hào)v1(t)減去m1(t)得到h1(t)，即

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

(1)

在這個(gè)數(shù)據(jù)列中，當(dāng)極值點(diǎn)與過(guò)零點(diǎn)數(shù)量相比不超過(guò)一個(gè)時(shí)，且信號(hào)以時(shí)間軸局部對(duì)稱，可以認(rèn)為h1(t)是信號(hào)數(shù)據(jù)中的第一個(gè)imf1，若不滿足這兩個(gè)條件，將h1(t)設(shè)為原始信號(hào)重復(fù)上述過(guò)程直到找出符合條件的hk(t)，即為imf1，將hk(t)作為新信號(hào)，重復(fù)上述步驟，直到滿足：

(2)

找出所有imf分量，結(jié)束循環(huán)，最后一個(gè)imfn是分解余量。

對(duì)于噪聲信號(hào)，因采集頻率低，僅對(duì)噪聲聲壓級(jí)時(shí)程曲線進(jìn)行分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 筒體振動(dòng)信號(hào)分析

將爆破振動(dòng)測(cè)試儀測(cè)得的筒體振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，分為三個(gè)方向，徑向(爆破振動(dòng)測(cè)試儀X方向)、切向(爆破振動(dòng)測(cè)試儀Y方向)以及垂直方向(爆破振動(dòng)測(cè)試儀Z方向)。筒體振動(dòng)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 筒體振動(dòng)測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results of cylinder vibration

因雷管聚能穴朝下，軸向沖擊作用強(qiáng)，其引起的垂直方向振動(dòng)速度也較大，該規(guī)律與文獻(xiàn)[18]有較好的一致性。振動(dòng)的峰值速度隨罐體內(nèi)真空度的提高呈下降趨勢(shì)，其中垂直方向(Z方向)下降最明顯；常壓條件下爆炸引起的筒體振動(dòng)的主振頻率在460 Hz左右，隨著真空度的提高爆炸引起筒體振動(dòng)的主振頻率呈上升趨勢(shì)。

根據(jù)文獻(xiàn)[19]，取垂直方向振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析，采用Origin軟件繪制筒體振動(dòng)波形以及快速傅里葉變換(fast Fourier transformation，F(xiàn)FT)的幅度譜圖，如圖2所示。在圖2中：(a)中筒體振動(dòng)峰值速度高達(dá)14.26 cm/s;(b)中筒體峰值速度最高為7.58 cm/s;(c)中筒體峰值速度最高為4.32 cm/s。本實(shí)驗(yàn)測(cè)試的是筒體的振動(dòng)信號(hào)，振動(dòng)較為強(qiáng)烈。藥量很小僅有1.07 gTNT當(dāng)量，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間較短。主振頻率隨著真空度的提高呈上升趨勢(shì)，由于波到達(dá)壁面時(shí)能量較低，筒體振幅小，周期短，導(dǎo)致主振頻率增大。根據(jù)FFT幅度譜可以看出，在常壓條件下，爆炸振動(dòng)的主振頻率集中在450～500 Hz；-50 kPa時(shí)，主振頻率集中在500～750 Hz；當(dāng)筒體內(nèi)部接近真空時(shí)，主振頻率集中在750～1 000 Hz。由此可認(rèn)為：隨著真空度提高，爆炸振動(dòng)的主振頻率呈上升趨勢(shì)。文獻(xiàn)[20]中，頻率主要分布在10～700 Hz，與本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有較好的一致性。

圖2 不同負(fù)壓條件下筒體垂直方向的振動(dòng)變化曲線以及FFT幅度譜圖Fig.2 Vertical vibration variation curve and FFT amplitude spectrum of the cylinder under different negative pressure conditions

在實(shí)驗(yàn)條件為常壓、-50 kPa,-99 kPa的條件下，筒體垂直方向振動(dòng)的FFT幅度譜最高幅度頻率分別為468 Hz,558 Hz,772 Hz，與主振頻率幾乎一樣，說(shuō)明振動(dòng)測(cè)試儀測(cè)得的主振頻率即FFT幅度譜最高幅度頻率。當(dāng)筒體內(nèi)部接近真空時(shí)，相比于常壓情況爆炸振動(dòng)峰值速度明顯衰減，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間也明顯縮短。爆炸產(chǎn)生的波屬于機(jī)械波，機(jī)械波的傳播需要介質(zhì)，介質(zhì)越稀薄，能量衰減越嚴(yán)重，振動(dòng)持續(xù)時(shí)間也隨真空度提高而逐漸下降。由于振動(dòng)信號(hào)是非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)，再加上雜波、噪聲等導(dǎo)致FFT幅度譜圖中振幅有所失真。

使用Matlab軟件編寫程序，對(duì)垂直方向振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行EMD分析，得到筒體振動(dòng)的imf分量，如圖3所示。

根據(jù)圖3分解振動(dòng)信號(hào)得到的imf分量，計(jì)算各個(gè)imf分量與所有imf分量之和的百分比，該比值可認(rèn)為是對(duì)應(yīng)的分解信號(hào)在整個(gè)振動(dòng)過(guò)程中能量貢獻(xiàn)的百分比，如圖4所示。

從圖3和圖4中可以看出，在0 kPa條件下筒體振動(dòng)速度信號(hào)進(jìn)行EMD分解得到9個(gè)imf分量和一個(gè)余量imf10，其中imf2分量貢獻(xiàn)率最高達(dá)到60%以上，其余分量為低頻信號(hào)貢獻(xiàn)率較低；在-50 kPa條件下筒體振動(dòng)速度信號(hào)進(jìn)行EMD分解得到8個(gè)imf分量和一個(gè)余量imf9，imf1和imf2之和占貢獻(xiàn)率超過(guò)80%，imf5～imf8所占貢獻(xiàn)率較低；-99 kPa條件下筒體振動(dòng)速度信號(hào)進(jìn)行EMD分解得到10個(gè)imf分量和一個(gè)余量imf11；imf1貢獻(xiàn)率達(dá)到40%以上，imf2～imf5貢獻(xiàn)率均低于imf1，imf6～imf10貢獻(xiàn)率很低，圖4(a)中imf1方差貢獻(xiàn)率較低，而圖4(b)和圖4(c)的imf1卻較高，文獻(xiàn)[21]中提出imf1較低是由于高頻噪聲造成的，圖4(b)和圖4(c)是在一定真空度下進(jìn)行的，高頻噪聲對(duì)其影響較小，所以imf1較高；分解余量很低，可能與儀器的零點(diǎn)漂移有關(guān)。綜上所述可認(rèn)為：真空條件下爆炸實(shí)驗(yàn)降低了高頻噪聲對(duì)振動(dòng)信號(hào)的干擾；隨著真空度的提高，高貢獻(xiàn)率的imf分量個(gè)數(shù)呈現(xiàn)增多趨勢(shì)。

圖3 不同負(fù)壓條件下爆炸振動(dòng)的imf分量Fig.3 The imf component of explosion vibration under different negative pressure conditions

圖4 不同真空壓力下振動(dòng)信號(hào)各imf分量的貢獻(xiàn)率Fig.4 The contribution rate of each imf component of the vibration signal under different vacuum pressures

2.2 爆炸噪聲聲壓級(jí)分析

采用SZ4A型四通道噪聲與振動(dòng)測(cè)試儀測(cè)試爆炸噪聲聲壓級(jí)，該噪聲測(cè)試儀距離抽真空爆炸罐體外部距離為50 cm。圖5為壓力為0 kPa，-50 kPa，-99 kPa條件下爆炸噪聲聲壓級(jí)時(shí)程曲線圖。

圖5 不同真空壓力下爆炸噪聲聲壓級(jí)時(shí)程曲線Fig.5 Time-history curve of sound pressure level of explosion noise under different vacuum pressure conditions

分析圖5，實(shí)驗(yàn)環(huán)境的背景噪聲聲壓級(jí)在50 dB左右，比一般環(huán)境聲壓級(jí)略高，其主要是由設(shè)備(電腦、示波器)噪聲引起的。圖中除了爆炸噪聲外還有其他噪聲，在最大聲壓級(jí)之前有一個(gè)小的峰值，是使用發(fā)爆器充電造成的。其他的小噪聲主要是人為干擾，噪聲較小，影響可忽略不計(jì)。隨著真空度的提高，爆炸噪聲也隨之下降。分析原因?yàn)椋郝暡▽儆跈C(jī)械波，機(jī)械波的傳播需要介質(zhì)，介質(zhì)越稀薄，聲音衰減越嚴(yán)重。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出，爆炸噪聲聲壓級(jí)隨真空度提高明顯降低，當(dāng)真空度提高，爆炸噪聲聲壓級(jí)隨之降低。

根據(jù)圖5，對(duì)噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到最大聲壓級(jí)，如表2所示。

表2 罐體內(nèi)不同真空壓力條件下爆炸產(chǎn)生的噪聲最大聲壓級(jí)Tab.2 Maximum sound pressure level of explosion noise in tank body under different vacuum pressure conditions

分析表2可知，在接近真空條件下，爆炸引起的噪聲聲壓級(jí)不超過(guò)100 dB，這是在距離裝置50 cm的條件下測(cè)得的，當(dāng)距離增大噪聲迅速衰減，在5 m外時(shí)噪聲聲壓級(jí)約為60～70 dB。爆炸罐內(nèi)真空度提高有助于降低爆炸噪聲，當(dāng)罐體內(nèi)真空壓力為-99 kPa時(shí)，與常壓相比爆炸噪聲的聲壓級(jí)降低了18.3%。分析認(rèn)為：當(dāng)真空條件下，爆炸產(chǎn)生少量氣體，波前氣體稀薄或幾乎無(wú)空氣介質(zhì)，此時(shí)波陣面和爆炸氣體一同向外層運(yùn)動(dòng)，波的運(yùn)動(dòng)速度不會(huì)超過(guò)爆炸氣體運(yùn)動(dòng)速度，此時(shí)沖擊波相關(guān)理論不適用，相關(guān)基礎(chǔ)理論有待下一步進(jìn)行深入研究。

3 結(jié) 論

本文采用自行研制的34.8 L抽真空爆炸罐，進(jìn)行了不同負(fù)壓條件下爆炸引起的筒體振動(dòng)及爆炸噪聲研究，得出如下結(jié)論：

(1)相同實(shí)驗(yàn)條件下，隨著真空度提高，筒體振動(dòng)峰值速度隨之下降，最大振動(dòng)速度峰值由14.26 cm/s降低到4.323 cm/s，振動(dòng)速度衰減70%。

(2)當(dāng)環(huán)境壓力趨近于真空時(shí)，容器內(nèi)空氣稀薄，爆炸的能量大幅衰減，爆炸振動(dòng)持續(xù)時(shí)間降低，由0.52 s降低到0.24 s。

(3)真空度的提高有助于衰減爆炸噪聲，當(dāng)筒體內(nèi)真空壓力為-99 kPa時(shí)，與常壓相比，爆炸噪聲的聲壓級(jí)降低了18.3%。

(4)隨著真空度提高，爆炸振動(dòng)的主振頻率也隨之提高，高貢獻(xiàn)率的imf分量個(gè)數(shù)呈增多趨勢(shì)。