負壓條件下爆炸罐內爆炸引起筒體振動及噪聲特性

汪 泉，林朝鍵，李志敏，陸軍偉，李 瑞，2

(1.安徽理工大學 化學工程學院，安徽 淮南 232001；2.安徽省爆破器材與技術工程實驗室，安徽 淮南 232001；3.安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

隨著科技的發展，不同領域對材料性能的要求不斷提高，金屬復合板、復合管具有多種材料優質的性能，如耐腐蝕、耐磨損、高硬度、高強度等性能[1-2]，在航天、輪船和建筑工程等都有廣泛的運用。爆炸加工是制作金屬復合板的一種方法。但是爆炸加工存在某些缺陷，譬如，在爆炸焊接、爆炸合成時基板和覆板之間容易形成氣隙或氧化等，導致金屬復合板存在一定缺陷。為了提高爆炸加工復合板的質量，伊朗學者運用計算機模擬最佳加工條件以及超聲檢測等方法，使金屬復合板質量有一定的提高[3]。爆炸加工過程會產生振動和噪聲等危害效應，這些有害效應限制了爆炸加工的制作地點[4]，因而爆炸加工作業一般在偏遠山區進行，其運輸成本較高。解決爆炸加工作業的環保問題以及降低運輸成本等問題是目前爆炸加工行業亟待解決的一個問題。

爆炸產生的振動、噪聲是限制爆炸加工的一個重要因素，史長根等[5]在爆炸焊接危害機理分析中指出在離起爆點2～3 km處噪聲聲壓級能達140 dB，產生的振動對2 km以內民居的正常的生活造成了較大影響，噪聲、振動影響范圍較廣。針對爆炸振動信號方面，學者多采用傅里葉變換、小波變換、Hilbert-Huang變換等方法進行處理分析[6-10]，但是對于真空爆炸方面的分析較少。爆炸產生的波屬于機械波，機械波的傳播需要介質，介質越稀薄，能量衰減越嚴重。文獻[11]提出破壞效應與質點振動速度等有著密切的關系，通過負壓環境條件下進行爆炸實驗，能降低爆炸振動的影響。文獻[12]提出噪聲可在聲源、傳播途徑以及接收點上進行控制。文獻[13-14]研究了地形對爆炸效應的影響，提出挖掘隔振溝降低爆炸產生的振動，并在一定程度上降低爆炸產生的振動。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量，并實現較穩定的爆炸焊接。牛愛紅[16]提出使用真空爆炸容器進行爆炸加工實驗，可降低爆炸產生的有害效應，能有效提高爆炸焊接成功的比率，并且性能和質量更優。若將抽真空技術應用于爆炸加工作業有望使得爆炸加工企業城市化、工廠化。

基于此自行設計制造一套34.8 L抽真空爆炸罐系統，研究負壓條件下爆炸罐內爆炸引起的筒體振動和噪聲傳播規律，探究振動與噪聲信號衰減規律，以期指導真空爆炸加工工程實踐。

1 實驗設計及信號分析方法

1.1 實驗系統

實驗系統主要包括爆炸罐、抽真空裝置、NuBox8016型爆破振動測試儀、SZ4A型四通道噪聲與振動測試儀、起爆裝置等。爆炸罐為圓柱體，容積為34.8 L，筒體直徑32 cm(內徑)，筒體高度43 cm，壁面厚度為0.6 cm。實驗采用8號工業電雷管(爆炸當量約為1.07 gTNT)作為爆炸源，聚能穴朝下，垂直于罐體底部。實驗中使用真空泵抽取空氣，壓力表測量爆炸罐內部壓力；振動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 實驗測試系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental test system

1.2 信號分析方法

采用經驗模態分解(empirical mode decomposition,EMD)方法[17]。將振動信號所有的極值點找出，用兩條包絡線分別把極大點和極小點連接起來，計算出兩條包絡線的平均值m1(t)，原始信號v1(t)減去m1(t)得到h1(t)，即

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

(1)

在這個數據列中，當極值點與過零點數量相比不超過一個時，且信號以時間軸局部對稱，可以認為h1(t)是信號數據中的第一個imf1，若不滿足這兩個條件，將h1(t)設為原始信號重復上述過程直到找出符合條件的hk(t)，即為imf1，將hk(t)作為新信號，重復上述步驟，直到滿足：

(2)

找出所有imf分量，結束循環，最后一個imfn是分解余量。

對于噪聲信號，因采集頻率低，僅對噪聲聲壓級時程曲線進行分析。

2 實驗結果與討論

2.1 筒體振動信號分析

將爆破振動測試儀測得的筒體振動數據進行整理，分為三個方向，徑向(爆破振動測試儀X方向)、切向(爆破振動測試儀Y方向)以及垂直方向(爆破振動測試儀Z方向)。筒體振動測試結果如表1所示。

表1 筒體振動測試結果Tab.1 Test results of cylinder vibration

因雷管聚能穴朝下，軸向沖擊作用強，其引起的垂直方向振動速度也較大，該規律與文獻[18]有較好的一致性。振動的峰值速度隨罐體內真空度的提高呈下降趨勢，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的主振頻率呈上升趨勢。

根據文獻[19]，取垂直方向振動數據進行進一步分析，采用Origin軟件繪制筒體振動波形以及快速傅里葉變換(fast Fourier transformation，FFT)的幅度譜圖，如圖2所示。在圖2中：(a)中筒體振動峰值速度高達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。本實驗測試的是筒體的振動信號，振動較為強烈。藥量很小僅有1.07 gTNT當量，振動持續時間較短。主振頻率隨著真空度的提高呈上升趨勢，由于波到達壁面時能量較低，筒體振幅小，周期短，導致主振頻率增大。根據FFT幅度譜可以看出，在常壓條件下，爆炸振動的主振頻率集中在450～500 Hz；-50 kPa時，主振頻率集中在500～750 Hz；當筒體內部接近真空時，主振頻率集中在750～1 000 Hz。由此可認為：隨著真空度提高，爆炸振動的主振頻率呈上升趨勢。文獻[20]中，頻率主要分布在10～700 Hz，與本實驗數據有較好的一致性。

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

在實驗條件為常壓、-50 kPa,-99 kPa的條件下，筒體垂直方向振動的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，說明振動測試儀測得的主振頻率即FFT幅度譜最高幅度頻率。當筒體內部接近真空時，相比于常壓情況爆炸振動峰值速度明顯衰減，振動持續時間也明顯縮短。爆炸產生的波屬于機械波，機械波的傳播需要介質，介質越稀薄，能量衰減越嚴重，振動持續時間也隨真空度提高而逐漸下降。由于振動信號是非平穩隨機信號，再加上雜波、噪聲等導致FFT幅度譜圖中振幅有所失真。

使用Matlab軟件編寫程序，對垂直方向振動數據進行EMD分析，得到筒體振動的imf分量，如圖3所示。

根據圖3分解振動信號得到的imf分量，計算各個imf分量與所有imf分量之和的百分比，該比值可認為是對應的分解信號在整個振動過程中能量貢獻的百分比，如圖4所示。

從圖3和圖4中可以看出，在0 kPa條件下筒體振動速度信號進行EMD分解得到9個imf分量和一個余量imf10，其中imf2分量貢獻率最高達到60%以上，其余分量為低頻信號貢獻率較低；在-50 kPa條件下筒體振動速度信號進行EMD分解得到8個imf分量和一個余量imf9，imf1和imf2之和占貢獻率超過80%，imf5～imf8所占貢獻率較低；-99 kPa條件下筒體振動速度信號進行EMD分解得到10個imf分量和一個余量imf11；imf1貢獻率達到40%以上，imf2～imf5貢獻率均低于imf1，imf6～imf10貢獻率很低，圖4(a)中imf1方差貢獻率較低，而圖4(b)和圖4(c)的imf1卻較高，文獻[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行的，高頻噪聲對其影響較小，所以imf1較高；分解余量很低，可能與儀器的零點漂移有關。綜上所述可認為：真空條件下爆炸實驗降低了高頻噪聲對振動信號的干擾；隨著真空度的提高，高貢獻率的imf分量個數呈現增多趨勢。

圖3 不同負壓條件下爆炸振動的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信號各imf分量的貢獻率Fig.4 The contribution rate of each imf component of the vibration signal under different vacuum pressures

2.2 爆炸噪聲聲壓級分析

采用SZ4A型四通道噪聲與振動測試儀測試爆炸噪聲聲壓級，該噪聲測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時程曲線圖。

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

分析圖5，實驗環境的背景噪聲聲壓級在50 dB左右，比一般環境聲壓級略高，其主要是由設備(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，在最大聲壓級之前有一個小的峰值，是使用發爆器充電造成的。其他的小噪聲主要是人為干擾，噪聲較小，影響可忽略不計。隨著真空度的提高，爆炸噪聲也隨之下降。分析原因為：聲波屬于機械波，機械波的傳播需要介質，介質越稀薄，聲音衰減越嚴重。從實驗數據可看出，爆炸噪聲聲壓級隨真空度提高明顯降低，當真空度提高，爆炸噪聲聲壓級隨之降低。

根據圖5，對噪聲數據進行整理，得到最大聲壓級，如表2所示。

表2 罐體內不同真空壓力條件下爆炸產生的噪聲最大聲壓級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不超過100 dB，這是在距離裝置50 cm的條件下測得的，當距離增大噪聲迅速衰減，在5 m外時噪聲聲壓級約為60～70 dB。爆炸罐內真空度提高有助于降低爆炸噪聲，當罐體內真空壓力為-99 kPa時，與常壓相比爆炸噪聲的聲壓級降低了18.3%。分析認為：當真空條件下，爆炸產生少量氣體，波前氣體稀薄或幾乎無空氣介質，此時波陣面和爆炸氣體一同向外層運動，波的運動速度不會超過爆炸氣體運動速度，此時沖擊波相關理論不適用，相關基礎理論有待下一步進行深入研究。

3 結 論

本文采用自行研制的34.8 L抽真空爆炸罐，進行了不同負壓條件下爆炸引起的筒體振動及爆炸噪聲研究，得出如下結論：

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

(2)當環境壓力趨近于真空時，容器內空氣稀薄，爆炸的能量大幅衰減，爆炸振動持續時間降低，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，當筒體內真空壓力為-99 kPa時，與常壓相比，爆炸噪聲的聲壓級降低了18.3%。

(4)隨著真空度提高，爆炸振動的主振頻率也隨之提高，高貢獻率的imf分量個數呈增多趨勢。