射流沖擊特性與聲發射信號的試驗研究*

朱犇犇，趙 韡，祝錫晶，曹麗亭

(中北大學機械工程學院，太原 030051)

0 引言

目前我國煤礦開采存在煤層氣的抽采率不高等問題。而物理場激勵、水力割縫、爆破震動等[1-5]是提高煤層氣抽采率的基本方法，其中水力割縫應用的是巖石動態損傷理論，利用高壓水射流的鉆孔技術能夠有效提高煤層的透氣性，從而提高煤層氣的開采效率。當射流沖擊巖石發生變形時，巖石內部原先存在或新產生的微裂紋突然發生破壞，從而向四周輻射彈性波。利用聲發射傳感技術能夠間接反應材料內部的結構變化，其應用對射流發展和研究具有非常重要的意義[6]。

Mohan R S等[7]在水力磨削加工過程中。使用聲發射(AE)傳感技術監測了不同加工機制消耗的能量，建立了能量耗散模型，用功率譜密度函數(PSD)區分各個階段的能量耗散水平。Momber A W等[8]利用傅里葉變換分離了水力磨蝕的3個斷裂范圍參數，討論了5種不同混凝土混合物在水力磨蝕過程中的聲發射信號。Tian S C等[9]將聲發射傳感技術和水聽器結合起來，對4種類型沉積巖的聲發射特征、性能和能量耗散進行了在線監測，結果得到了流體脈動和巖石破壞的主要頻率，并利用信號能量對巖石的相關特性進行了研究。Vincent P等[10]用磨料水射流切割不銹鋼產生的聲發射信號進行了頻譜分析，根據不同工況條件下的振幅大小，用來計算材料去除的效率。龔中良等將聲發射技術和信號處理應用于檢測領域，分析了信號頻譜和功率譜特征差異，為后續射流的研究提供了參考[11-12]。

本課題主要研究了水射流在沖擊大理石過程中，用聲發射系統采集了不同位置的聲發射信號，進行了信號處理和分析，揭示了射流的聲信號在沖擊過程中的衰減規律、頻譜的分布特征和能量變化。為將來反饋射流特性和提高射流增透性能的研究提出了一種新的思路。

1 實驗裝置和內容

1.1 實驗裝置

采用高壓水射流對大理石進行沖擊實驗，搭建實驗平臺。主要由高壓水系統和聲發射數據采集系統兩部分組成，通過控制變頻器頻率改變柱塞泵的流量來調節噴嘴的工作壓力，聲發射系統通過聲發射AE傳感器提取射流沖擊靶物產生的表面振動波信號。

圖1所示聲發射測量裝置，聲發射(Acoustic Emission, 簡稱AE) 是材料中局域源快速釋放能量產生瞬態彈性波的現象，有時也稱為應力波發射。由于材料內部結構發生變化而引起材料內應力突然重新分布；使機械能轉變為聲能；產生彈性波，聲發射的頻率一般在1kHz～1MHz之間。大多數材料的聲信號強度很弱，需要借助靈敏度高的電子儀器才能檢測出來。

圖1 聲發射原理示意圖

1.2 實驗內容

(1)傳感器布置

沿著射流沖擊的方向分別布置5個傳感器，間隔8 cm，如圖2所示，以此按圖順序編號。分別布置對應的5個通道，進行數據采集。

圖2 傳感器分布圖

(2)實驗條件

為了研究聲振信號的傳輸特性，實驗設計了表1以上幾種加載條件，目前實驗室射流噴嘴主要有0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm，射流壓力選擇10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa、30 MPa。

表1 試驗方案

2 聲振信號處理和分析

通常由濾波器和傅里葉變換的方法來降噪，但是他們也有很多缺點，比如大多數濾波器在降低噪聲的同時也會導致邊緣強度的損失，傅里葉變換方法去噪聲不能區分有用信號的高頻部分和高頻干擾。這種情況特別是在去除高頻噪聲的同時需要保留信號高頻成分就無能為力了。

小波變換去噪聲的方法可以很好地保護有用信號尖峰和突變信號。適用于暫態信號和瞬態信號的噪聲去除，以及抑制高頻噪聲的干擾，有效地將高頻信息和高頻噪聲區分開來。

2.1 小波變換的去噪原理

小波變換具有良好的時頻局部化特性，保留主要由信號控制的小波系數，發現并去掉由噪聲控制的小波系數。剩下的小波系數做逆變換得到降躁后的信號。

小波公式如下：

(1)

本文將采集的發射信號導入MATLAB中進行小波降噪處理。首先進行一層離散小波分解與重構對電壓信號進行一層小波分解得到近似系數和細節系數，對一維數據進行處理。

2.2 小波降噪前后的變化

選擇一維小波變換閾值去除噪聲，再執行細節系數的實際閾值，然后得到處理后的減噪信號。

圖3所示為降噪前后的對比圖?？梢钥闯鼋翟牒箅妷悍得黠@的降低，區別效果清晰可見。

圖3 降噪前后對比圖

3 實驗結果分析

3.1 頻譜分析

經過信號處理之后得到頻譜圖，如圖4所示，其中兩種不同加載條件下的頻譜圖，經過對比不難發現，不同壓力、不同直徑、不同通道的頻率帶分布范圍大體一致主要分布在0～100 kHz范圍內，而幅值大小差別比較大。

對20組數據共100個聲發射信號進行了批量處理，得到如圖5、圖6所示的幅值期望變化圖，通過對其幅值期望進行分析，發現前3個通道距離射流源的位置比較近，幅值來回波動范圍不大，后2個通道距離射流源的位置比較遠，幅值變化比較大，除了0.6 mm外，隨著壓力變大，前3個通道振幅越來越大，后3個通道衰減速度基本相差不大。正好與靶距的變化相互驗證，即存在最佳的靶距。根據射流靶距增加一倍，覆蓋面積將增加4倍，但水射流打擊力僅為原來的1/4；所以聲發射分析的結果具有的一定的合理性。

圖4 不同加載條件的頻譜圖

圖5 同壓不同口徑時的幅值變化

圖6 用口徑不同壓力的幅值變化

3.2 PSD功率譜分析

圖7為口徑0.8 mm壓力30 MPa第一通道和口徑0.6 mm壓力20 mm第1通道兩種不同加載條件下聲信號的功率譜密度曲線。

圖7 不同加載條件的對比圖

經對比發現，形狀大體相似，而大小明顯不同。通過共100組數據，對PSD求期望進行統計分析，如圖8所示。

圖8 不同壓力的功率密度譜曲線

當初始壓力增加時，相同位置處的單位頻帶內功率在增加；當壓力不變時，距離噴嘴較近的地方功率變化不是很大，較遠的距離均勻遞減，衰減速度變化不大；而口徑的變化對其影響不是很明顯。

4 結論

利用聲發射技術可以判斷射流的特性，驗證其準確性和可靠性。

(1)射流壓力在10 MPa～30 MPa， 噴頭口徑0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm，不同位置處聲振頻率主要分布在1 kHz～80 kHz。

(2)相同壓力下，當噴嘴口徑0.4 mm～1.0 mm逐漸增加時，振動信號在傳遞過程中幅值和能量在短距離內變化穩定，距離大于25 cm后加速衰減。

(3)當壓力10 MPa～30 MPa逐漸增加時，口徑較小的聲信號的幅值和能量增加明顯；口徑較大時，增加較慢，而距離超過25 cm后時衰減速度加快。

(4)沖擊聲振信號的分析從微觀的角度分析了射流作業能力在遠距離的傳遞規律。