松散煤體中聲波傳播特性及主要路徑實驗研究

鄧 軍,屈高陽,任帥京,王彩萍,王津睿,趙小勇,白光星

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院,陜西 西安 710054;2.陜西省煤火災害防治重點實驗室,陜西 西安 710054)

對于聲波在多孔介質中傳播路徑的相關研究,BIOT[11-12]提出聲波在非均勻多孔介質中的傳播理論,預測聲波在媒介中的傳播路徑取決于聲波頻率、兩項介質的彈性特性、孔隙率、滲透率、彎曲度和等效壓力等。田曉培等[13]研究了聲波在非均勻介質中的傳播特性,分析了聲波頻率、溫度梯度及入射角等因素對聲波在非均勻介質中傳播的影響。沈陽工業大學顏華團隊[14-16]建立了糧食顆粒中聲波傳播理論模型,認為糧食顆粒間孔隙既有圓柱也有狹縫形狀,聲波是從糧食顆粒間的空隙進行傳輸的,并結合聲學層析成像技術測量堆積糧食內部的溫度分布。HICKLING等[17-18]研究聲波在堆積糧食中的傳播特性,測量得到二氧化碳飽和的堆積糧食的聲速約為200 m/s,而空氣飽和的堆積糧食的聲速約為240 m/s,即當儲罐中的谷物被二氧化碳飽和時,聲速顯著降低,得到聲波主要是通過堆積糧食間的空氣間隙傳播,且糧食內聲波吸收系數和聲波頻率的平方根成正比,然而,針對聲波在松散煤體內傳播路徑的相關研究較少。

該研究是探索一種應用于煤堆及煤倉的新方法,所做的是聲波在松散煤體中傳播特性的基礎性研究。為了明確聲波在松散煤體中傳播的主要路徑,筆者考慮松散煤體的級配特性,從低、中、高階煤中分別選取長焰煤、瘦煤及無煙煤作為研究對象,研究了聲波在不同氣體環境及不同氣氛條件下3種煤樣的飛渡時間,結合無煙煤重裝煤樣前后聲波飛渡時間,探究了聲波在松散煤體中傳播的主要路徑,研究結果可為聲波測溫在松散煤體中應用提供一定的理論依據。

1 實驗方法及過程

1.1 試樣制備

實驗分別選用神木四門溝煤礦長焰煤、山西煤電馬蘭礦瘦煤及山西寺河煤礦無煙煤(以下簡稱四門溝長焰煤、馬蘭瘦煤、寺河無煙煤)3種煤樣作為研究對象,將煤樣從井下運送至實驗室,通過鄂式碎煤機破碎后篩選出5種粒徑范圍(0.9～3 mm、3～5 mm、5～7 mm、7～10 mm及>10 mm)的煤樣。級配是體現松散介質空隙度的參數[19-20],為排除其他因素對實驗結果的影響,將3種煤樣制成相同的級配試樣(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%),用于聲波在松散煤體中飛渡時間的實驗測試。松散煤體的空隙率可由煤的堆積密度與表觀密度計算得出,3種煤樣的工業分析與空隙率結果見表1。

表1 煤的工業分析及性能指標

1.2 實驗測試系統及過程

圖1 聲波飛渡時間測量系統Fig.1 Acoustic flying time measurement system

聲速測量系統包括硬件系統與軟件平臺,其中硬件系統包括計算機、功率放大器、揚聲器、實驗管腔、數據采集儀、傳聲器及氣瓶等,其中,實驗腔體中包括強吸聲體、擋網及進出氣小孔,具有密閉特性。軟件測試平臺包括信號發生、測試、數據采集與處理分析模塊,如圖1所示。軟件測試平臺可以產生信號,通過功率放大器后傳至揚聲器中,揚聲器將電信號轉換為聲信號傳入實驗腔體中,通過數據采集儀接收傳聲器收集到的經過實驗腔體的聲波信號,此時聲波由聲信號轉換為電信號傳輸到計算機的軟件系統中,軟件系統對接收到的信號進行進一步的分析處理。該研究實驗氣體包括二氧化碳、氮氣及空氣3種氣體,在實驗過程中實驗腔體為全封閉狀態。

實驗所用的聲源信號為1～4 000 Hz的11級偽隨機信號,傳聲器的采樣頻率為51 200 Hz,為避免實驗誤差,每種氣氛下測試5次,采用互相關分析法得到測試的聲波飛渡時間,以其平均值作為最終測試結果。在進行煤樣重裝前后聲波飛渡時間測量時,打開實驗腔體后蓋,將待測煤樣放置在實驗腔體內,對實驗腔體進行密封處理,其余煤樣的處理方式與上述過程一致。兩傳聲器所接收到的信號如圖2所示。

1.3 計算方法

聲波飛渡時間測量的主要問題是計算聲源信號端(傳聲器1采集到的信號)和接收端(傳聲器2采集到的信號)之間的延遲時間,用于聲學測溫信號時延估計方法主要包括人工神經網絡、小波分析和互相關函數法等[21-23]。根據眾多學者的實驗研究,基于互相關函數的聲波時延估計較為可靠[24-25],時延估計的本質就是傳聲器1與傳聲器2接收到同一信號的時間差,信號處理中尋找接收到信號的相似性是互相關函數的主要任務。互相關算法的主要原理是將存在時間延遲的同源信號利用互相關函數做運算,互相關的極大值點所對應的橫坐標即聲波飛渡時間。假設信號x1(k)和x2(k)分別為傳聲器1、2位置信號的離散表示,則它們可以寫成以下形式

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

(1)

x2(k)=s(k′-D)+W2(k)

(2)

式中,s(k)為揚聲器發出的源信號,即發射的聲波信號;k為接收信號的采樣數據長度;W1、W2為混入背景噪聲之后的信號;D為信號延遲時間。

圖2 聲波飛渡時間測試信號Fig.2 Acoustic flying time test signal

由文獻[26]中給出的基于互相關函數的聲波飛渡時間測量方法可知,通過計算兩傳聲器接收到信號的互相關系數,可得到聲波在2個傳聲器之間的飛渡時間。

2 結果與討論

2.1 聲波在氣體環境下的飛渡時間

不同氣體環境中偽隨機聲波信號的互相關結果如圖3所示。結果表明,偽隨機信號的互相關系數峰值相差較近,分布在0.60～0.85,互相關系數的偽峰較低,主峰比較突出。偽隨機信號的掃頻周期較小,信號經過互相關函數分析后可對其最大旁瓣值產生抑制作用,可以較為容易地確定互相關系數,能夠有效降低互相關峰值的誤判,可以提高聲波飛渡時間測量的準確性。

聲波在不同氣體中的飛渡時間及聲速如圖4所示。結果表明,不同氣體條件下聲波飛渡時間不同,在二氧化碳中的飛渡時間最長,在氮氣中的飛渡時間最短(即聲波在氮氣中的傳播速度最快,在二氧化碳氣體中的傳播速度最慢);聲波在空氣中與氮氣中的飛渡時間相差很小,總體而言在不同氣體中聲速大小為氮氣>空氣>二氧化碳,聲波傳播速度為268.34～352.11 m/s。

圖3 不同氣體環境中的互相關結果Fig.3 Cross-correlation results of acoustic signals in different gas environments

圖4 聲波在不同氣體環境下的飛渡時間及聲速Fig.4 Flying time and speed of sound waves in different gas environments

從圖4(b)可以看出,聲波在不同氣體中傳播速度不同,這是因為聲波速度與氣體的摩爾質量有關[27],一般來說,聲波在摩爾質量較高的氣體介質中聲速較低,在摩爾質量較低的氣體介質中聲速較高[28]。二氧化碳的摩爾質量為44 g/mol,空氣與氮氣的摩爾質量分別為29 g/mol與28 g/mol,故聲波在二氧化碳中的傳播速度最慢,為268.34 m/s,在空氣與氮氣中的傳播速度相近,分別為347.22、352.11 m/s,聲波飛渡時間的變化與聲波傳播速度有關。

2.2 不同氣氛條件下3種煤樣的聲波飛渡時間

不同氣氛條件下3種煤樣的聲波飛渡時間如圖5(a)所示,以兩傳聲器之間的距離1.5 m為總路程計算的聲速如圖5(b)所示。結果表明,聲波在同種煤樣的不同氣氛條件下飛渡時間不同,二氧化碳氣氛下聲波飛渡時間最長,而氮氣氣氛下聲波飛渡時間最短,波速與飛渡時間變化規律相反;在同一種氣氛下,聲波在相同級配的不同煤樣中飛渡時間相差較小,在長焰煤煤樣中傳播最快,在瘦煤煤樣中傳播最慢,聲波飛渡時間與煤的變質程度沒有表現出明顯規律性,其數值在5.13～6.81 ms。

圖5 不同氣氛條件下3種煤樣的聲波飛渡時間及聲速Fig.5 Acoustic flight time and sound velocity of three coal samples under different atmosphere conditions

松散煤體由煤塊和空隙2部分構成,一旦松散煤體的堆積形態發生變化,其空隙必然發生改變,為保持單一變量原則,在保持同一堆積形態下改變氣體環境進行測試。相較于級配范圍較大的松散煤體,在相同級配條件下,松散煤體堆積密度的變化范圍較小,導致聲波傳播的路徑變化較小,進而使聲波飛渡時間相近,因此在相同級配的同一氣體環境中,聲波在長焰煤、瘦煤及無煙煤中的飛渡時間相差較小,表明煤質對聲波飛渡時間的影響較小。在同種松散煤體中依次充入不同的氣體,聲波飛渡時間發生明顯變化,且變化趨勢與聲波在氣體中的飛渡時間變化趨勢一致,表明聲波飛渡時間受空隙中的氣體組分影響較大。同種氣氛條件下,長焰煤煤樣的空隙率最大,聲波飛渡時間最短,表明聲波傳播較為容易,瘦煤的空隙率最小,聲波飛渡時間最長。

2.3 聲波在松散煤體中的傳播路徑分析

由圖5可知,聲波飛渡時間與煤質關系較小,為了排除其他因素對聲波飛渡時間的影響,選用無煙煤作為實驗煤樣,聲波在氣體環境下及不同氣氛條件下無煙煤重新裝樣前后的聲波飛渡時間與聲速如圖6所示。結果表明,同一氣氛條件下聲波飛渡時間在裝樣前后發生了明顯的變化,重裝煤樣后聲波飛渡時間變短;相較于聲波在氣體環境下的飛渡時間,不同氣氛條件下的重裝煤樣前后飛渡時間均變長;3種狀態下不同氣氛中聲波飛渡時間變化規律相同,均為二氧化碳>空氣>氮氣。

圖6 無煙煤重裝前后不同氣氛中聲波飛渡時間及聲速Fig.6 Acoustic flight time and sound velocity in different gas fractions before and after reloading of anthracite

對無煙煤煤樣倒出后重裝,改變了松散煤體的堆積形態,導致聲波傳播過程中的路徑發生改變,使聲波飛渡時間變短。聲波在不同氣氛條件下重裝無煙煤前后聲波飛渡時間均大于在氣體環境中的飛渡時間,表明聲波不是沿著直線傳播,是在松散煤體中曲折傳播的,總的傳播路徑變長。聲波在氣體環境中、重裝煤樣前、重裝煤樣后3種狀態下不同氣體條件中的聲波飛渡時間變化規律相同(均為二氧化碳>空氣>氮氣,且在空氣與氮氣中聲波飛渡時間相差較小),聲波在二氧化碳氣氛下的聲速最慢,在氮氣氣氛下的聲速最快,這一點與在不同氣體條件下的聲波波速實驗結果相符,說明聲波傳播的介質均為氣體介質,進一步證明聲波是沿著松散煤體內的空隙氣體曲折傳播的。

2.4 聲波飛渡時間變化率分析

聲波在3種氣氛環境的不同煤樣中傳播時飛渡時間變化率如圖7所示。從圖7可以看出,在不同狀態下,聲波在氮氣-空氣氣氛中飛渡時間變化率均最小;在氮氣-二氧化碳氣氛中飛渡時間的變化率均最大;不同環境中聲波飛渡時間變化率的變化趨勢相同;無煙煤重裝前后聲波在不同氣氛中聲波飛渡時間變化率相差較小。

圖7 不同氣氛下聲波飛渡時間變化率Fig.7 Change rate of sound wave flying time in different atmospheres

氮氣與空氣的摩爾質量相近,聲波在其中傳播時速度相差較小,因此聲波在氮氣與空氣氣氛中的飛渡時間變化率最小;氮氣與二氧化碳的摩爾質量相差最大,聲速相差最大,其在氮氣與二氧化碳氣氛中的飛渡時間變化率最大,無煙煤在重裝前后的堆積形態發生變化,但在同一級配下且煤的種類未變,故飛渡時間變化率相差較小,再次印證了聲波在不同煤樣的松散煤體中是通過氣體介質傳播的。

3 結 論

(1)通過測量聲波在3種不同氣體介質(氮氣、空氣、二氧化碳)中傳播時的飛渡時間,發現聲波在二氧化碳中的飛渡時間最長,傳播速度最慢,為268.34 m/s;在氮氣與空氣中的聲速比較相近,分別為352.11、347.22 m/s,這樣的原因與聲波在氣體中的傳播速度與氣體的摩爾質量成反比有關。

(2)通過測量聲波在相同級配條件下的3種不同飽和氣體松散煤樣中的飛渡時間,發現相同級配的松散煤體在同一氣氛條件下的聲波飛渡時間相近,相較于不同氣體中的飛渡時間均變長,表明聲波在松散煤體中的飛渡時間與煤化程度關系較小。無煙煤進行重裝后的聲波飛渡時間變短,但飛渡時間在不同氣氛中的變化規律依舊相同(飛渡時間由長到短依次為二氧化碳、空氣、氮氣)。

(3)研究不同氣氛條件下聲波飛渡時間變化率,發現在3種氣氛環境的不同煤樣中,聲波在氮氣-空氣氣氛中聲波飛渡時間變化率最小;在氮氣-二氧化碳氣氛中的變化率最大;不同環境中聲波飛渡時間變化率的變化趨勢相同;無煙煤重裝前后聲波在不同氣氛中聲波飛渡時間變化率相差較小,表明聲波在3種煤樣的五級級配松散煤體中傳播時主要沿著松散煤體的空隙進行傳播。