纤维爆炸索水下爆炸声信号特征的小波分析
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
振 第 30 卷第 9 期
动
与
冲
击 Vol． 30 No． 9 2011
JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK
纤维爆炸索水下爆炸声信号特征的小波分析
贾
1， 2 1 虎 ，沈兆武
（ 1． 中国科学技术大学 近代力学系 ， 合肥 230027 ； 2． 南阳师范学院 土木建筑工程学院 ， 南阳 473061 ）
［2 ］
。为了探求合适的水声干扰源， 实现对水下武器
的干扰， 我们对纤维爆炸索进行了水下爆炸实验研究， 获得了水下爆炸信号。 传统水下爆炸压力信号分析时往往采用时域分析 方法， 但是由于爆炸压力信号持续时间短、 突变快， 属 信号的结构及其频谱都 是 时 变 的， 与 于非平稳信号，
4 ］ Fourier 变换建立的理论基础有不一致［3， 。 为了更好
2
水下爆炸压力试验
水下爆炸实验采用的水池由钢板加工而成， 壁厚
第9 期
贾
虎等： 纤维爆炸索水下爆炸声信号特征的小波分析
245
图 4 为测试得到水下爆炸冲击波压力和气泡脉动 压力曲线， 图 5 为冲击波压力时间曲线。 从图 5 中可以看出， 冲击波压力在 3 μs 时间内从 零上升到峰值压力 P m ， 数值为 5 ． 21 MPa， 随后近似成 指数衰减。将压力从 P m 衰减到 P m / e（ 其中 e 为自然对 取值为 2 ． 718 3 ） 所需时间定义为特征时间 θ， 经计 数， 在 θ 之后， 冲 算可得纤维爆炸索的特征时间 θ 为 42 μs， 击波的衰减要比 θ 时间内缓慢得多。 纤维爆炸索第一 次气泡脉动周期约为 15 ms， 虽然气泡脉动压力峰值不 但是持续时间比冲击波峰 到冲击波压力峰值的 15% ， 值压力持续时间长得多。
Characteristics of underwater detonation acoustic signals of fiberbased detonating cord based on wavelet analysis and power spectrum 2 JIA Hu1， ，SHEN Zhaowu1
由于水中介质的不均匀性以及水下爆炸产生的气泡脉动现象当纤维爆炸索水下爆炸产生的爆炸声源在传播过程中与这些介质相遇会产生漫反射和散射同时还要考虑到纤维爆炸索水中爆炸传播的多路效应在传播中产生迭加而出现混响效应提高水下爆炸脉冲压力波的宽度和持续时问从而达到水声对中可以看出纤维爆炸索在水下爆炸时会产生很强的混响效应且能保持在200db左右o5010015o200250300350t
（ 1． Department of Modern Mechanics， University of Science and Technology of China， Hefei 230027 ，China； 2． School of Civil Engineering and Architecture， Nanyang Normal University， Nanyang 473061 ，China）
摘
要： 为了研究纤维爆炸索爆炸水声信号特征 ， 在获得水下爆炸压力测试结果的基础上 ， 对其进行了声压级分
析， 并采用小波变换对水下爆炸信号进行了时频特性分析 ， 讨论了水下爆炸声信号在各频段的能量分布状况 。研究结果 纤维爆炸索水下爆炸具有很强的声功率 ， 纤维爆炸索水下爆炸声信号能量主要集中在 40 kHz 以内， 尤以 5 kHz 以 表明， 下频带能量最高， 如果作为水声干扰源， 完全可以覆盖各类水声器材的各工作频段 ， 或许能在水声对抗中发挥重要作用 。 采用小波分析可以对纤维爆炸索爆炸水声信号特性进行合理研究 ， 达到准确分析信号特征的目的 。 关键词： 纤维爆炸索； 水下爆炸； 小波分析； 能量 中图分类号： TH212 ；TH213． 3 文献标识码： A
Abstract：
With a view to obtaining the characteristics of the underwater detonation acoustic signals of fiberbased
detonating cord，its sound pressure level was analysed based on the results of underwater explosion pressure tests． The energy distribution of underwater detonation signals at different frequency ranges was discussed by analyzing the time frequency characteristics of those underwater explosion signals by adopting the wavelet transform method． The results show that the underwater explosion of fiberbased dБайду номын сангаасtonating cord boasts a high level of acoustic power and that the energy of the underwater detonation signals of fiberbased detonation cord is mainly concentrated in the area of less than 40kHz，and the highest level of energy is below the frequency of 5kHz． Therefore，if used as a source of sound interference，the fiberbased detonating cord is fully capable of covering all the working frequencies of various types of underwater acoustic equipment，as a result of which it may serve an important purpose in underwater warfare． By using wavelet transform，the characteristics of the underwater acoustic signals of fiberbased detonating cord can be studied resonably and analysed accurately． Key words： fiberbased detonating cord； underwater explosion； wavelet analysis； energy 含能材料水下爆炸产生的脉冲波是一个无指向性 的高功率声源， 可以传播很远的距离， 同时会引起很强 的混响效应， 因此含能材料有望成为一种新的噪声干 ［1 ］ 扰源 。 纤维爆炸索作为一种新型低能量导爆索， 由于其 侧向约束力强， 药芯密度高， 装药均匀， 线装药密度低， 爆速稳定， 质量有保证， 因此具有十分广 泛 的 发 展 前 景
3
水下爆炸声压
纤维爆炸索水下爆炸冲击波的瞬时压力峰值非常 高， 持续时间非常短。图 6 为水下爆炸实验获得的纤维 从图中可以看出， 纤维爆 爆炸索水下爆炸声压级时域图， 炸索水下爆炸声压级完全可以达到 200 dB 以上， 在持续 15 ms 以后时纤维爆炸索的爆炸声压级仍在 200 dB 上下 摆动， 说明纤维爆炸索水下爆炸具有很强的声功率， 这是 其有望成为水下干扰声源的显著特点之一。 纤维爆炸索水下爆炸， 会产生气泡脉动， 并产生大 。 量气泡 由于水中介质的不均匀性以及水下爆炸产生 的气泡脉动现象， 当纤维爆炸索水下爆炸产生的爆炸 声源在传播过程中与这些介质相遇， 会产生漫反射和 同时还要考虑到纤维爆炸索水中爆炸传播的多 散射， 路效应， 在传播中产生迭加而出现混响效应， 提高水下 从而达到水声对 爆炸脉冲压力波的宽度和持续时间， 抗的作用。从图 6 中可以看出， 纤维爆炸索在水下爆 炸时会产生很强的混响效应， 且能保持在 200 dB 左右，
地分析爆炸压力信号的特点， 一些研究者
基金项目： 中国博士后基金特别资助项目 （ 201003799 ） ； 河南省教育厅自 然科学研究计划项目 （ 2011B130002 ） ； 安徽高校省级自然科学重大项 目（ KJ2010ZD003 ） ； 南阳师范学院高层次人才科研启动费资助项目 收稿日期： 2010 － 04 － 29 第一作者 贾 修改稿收到日期： 2011 － 06 － 21 1980 年 3 月生 虎 男， 博士， 讲师，
持续一段时间。
4
纤维爆炸索水下爆炸声信号小波分析
为了能够获得爆炸水声信号的细节性质， 提供频 率成分的时间局部信息， 采用一维离散小波变换对纤 以得到信号的细 维爆炸索水下爆炸声信号进行变换， 部特征。 4. 1 小波分析 小波变换具有时间分辨率， 可以分析出不同频率 这就为我们分析和提取纤 成分分量的时间衰减规律， 维爆炸索水下爆炸声信号的有效信息提供了帮助 。 小波分析在实践应用中遇到的很重要的问题就是 小波基的选取， 因为用不同的小波基分析同一问题会 得到不同的结果。目前在非平稳振动信号分析中运用 ［9 ， 10 ］ 。 比较多的是 Daubechies8 小波基函数 试验设置的信号采样频率为 5 MHz， 根据采样定 理， 则其奈奎斯特 （ Nyquist ） 频率为 2． 5 MHz。 根据小 波分析原理， 采用图 5 给出的水下爆炸冲击波压力试 验曲线， 利用 Daubechies8 小波函数对纤维爆炸索水下 爆炸信号进行离散小波变换， 用 db8 小波函数将爆炸 9 ， 信号 分 解 到 第 层 对 应 的 最 低 频 带 为 0 ～ 4． 882 812 5 。 根据图 5 给出的爆炸压力试验曲线， 采用 db8 小 波进行分解后的重构信号以及实测信号与重构信号相 对误差分布如图 7 所示。 从图 7 可以看出实测信号与重构信号之间相对误 二者之间具有高度的一致性， 说明选取的小 差非常小， 波基能真实反映信号情况， 适合处理纤维爆炸索水下 爆炸的短时非平稳随即信号问题 。
小波分析原理
30 mm， 几何尺寸为 φ5 m × 5 m， 水深 4． 4 m， 水池立于 地表并固定在减震设施上， 如图 1 所示。 测试系统主 要有美国 PCB 公司生产的 W138A25 长型电气石水下 PCB 公司的 482A22 型恒流源 激波压力传感器 （ ICP ） ， 和美 国 泰 克 DPO7054 型 示 波 器， 信号采样频率为 5 MHz。ICP 传感器为体积敏感型传感器， 安装时不需将 将 传感器正对爆心。 传感器本身自带的微型放大器， 高阻抗电荷转换成 ＜ 100 Ω 的低阻抗电压输出， 信号可 用普通电缆传送相当远（ 几百米） 而无显著信号衰减和 得到的冲击波 p － t 曲线光滑、 平整。 噪声干扰， 试验样品为纤维爆炸索， 如图 2 所示， 外径为 1． 5 mm， 装药量为黑索金 1． 5 g / m， 纤维爆炸索长 2． 0 m。 纤维爆炸索中点处固定在水池的中轴线水下 2． 9 m 的 位置， 传感器固定在直径为 1 mm 的尼龙线上， 尼龙线 的下端挂配重垂直放入水下， 传感器入水深度 2． 9 m， 与纤维爆炸索中点处放在相同的水深， 距离纤维导爆 炸索 1． 0 m。纤维爆炸索采用雷管一端起爆， 为防止雷 管爆轰影响水中流场， 将雷管置于专门加工的抗爆器 内， 有效 削 弱 雷 管 影 响。 实 验 装 置 平 面 布 置 如 图 3 所示。
小波分析作为目前较为先进的信号分析手段， 已 在包括爆破在内的许多行业领域得到推广应用， 其最 大优点是能对信号的“细则 ” 部分像“显微镜 ” 一样同 ［7 ］ 时在时域和频域给予详细的考察 。 小波分析是一种 时间窗和频率窗都可改 窗口大小固定但形状可改变， 变的时频局部化分析方法。 即在低频部分具有较高的 频率分辨率和较低时间分辨率， 在高频部分具有较高 ［8 ］ 时间分辨率和较小频率分辨率 。 由于小波分析在时 域和频域上都有良好的局部化性质， 并能对不同的频 率成分提供不同的分析分辨率， 这使其性能大大优于 Fourier 变换。在多分辨率条件下， 采用二进制小波时， 信号被分解成低频和高频两部分。 在分解中， 低频部 分失去的信号由高频部分捕获。 下一层分解中再将分 低频部分失 解出的低频部分分解为低频和高频部分， 去的信号仍有高频部分捕获， 如此循环， 最终完成更深 层次的分解。
［5 ， 6 ］
采用小波
变换处理水声信号， 并取得了比较理想的结果。 本文 采用小波变换方法对纤维爆炸索水下爆炸水声特性进 行研究， 并进行小波重构信号能量分布研究， 以期有效 分析爆炸声信号特征， 获得有效水声干扰源， 为水下对 抗提供新的手段。
244
振 动 与 冲 击
2011 年第 30 卷
1
动
与
冲
击 Vol． 30 No． 9 2011
JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK
纤维爆炸索水下爆炸声信号特征的小波分析
贾
1， 2 1 虎 ，沈兆武
（ 1． 中国科学技术大学 近代力学系 ， 合肥 230027 ； 2． 南阳师范学院 土木建筑工程学院 ， 南阳 473061 ）
［2 ］
。为了探求合适的水声干扰源， 实现对水下武器
的干扰， 我们对纤维爆炸索进行了水下爆炸实验研究， 获得了水下爆炸信号。 传统水下爆炸压力信号分析时往往采用时域分析 方法， 但是由于爆炸压力信号持续时间短、 突变快， 属 信号的结构及其频谱都 是 时 变 的， 与 于非平稳信号，
4 ］ Fourier 变换建立的理论基础有不一致［3， 。 为了更好
2
水下爆炸压力试验
水下爆炸实验采用的水池由钢板加工而成， 壁厚
第9 期
贾
虎等： 纤维爆炸索水下爆炸声信号特征的小波分析
245
图 4 为测试得到水下爆炸冲击波压力和气泡脉动 压力曲线， 图 5 为冲击波压力时间曲线。 从图 5 中可以看出， 冲击波压力在 3 μs 时间内从 零上升到峰值压力 P m ， 数值为 5 ． 21 MPa， 随后近似成 指数衰减。将压力从 P m 衰减到 P m / e（ 其中 e 为自然对 取值为 2 ． 718 3 ） 所需时间定义为特征时间 θ， 经计 数， 在 θ 之后， 冲 算可得纤维爆炸索的特征时间 θ 为 42 μs， 击波的衰减要比 θ 时间内缓慢得多。 纤维爆炸索第一 次气泡脉动周期约为 15 ms， 虽然气泡脉动压力峰值不 但是持续时间比冲击波峰 到冲击波压力峰值的 15% ， 值压力持续时间长得多。
Characteristics of underwater detonation acoustic signals of fiberbased detonating cord based on wavelet analysis and power spectrum 2 JIA Hu1， ，SHEN Zhaowu1
由于水中介质的不均匀性以及水下爆炸产生的气泡脉动现象当纤维爆炸索水下爆炸产生的爆炸声源在传播过程中与这些介质相遇会产生漫反射和散射同时还要考虑到纤维爆炸索水中爆炸传播的多路效应在传播中产生迭加而出现混响效应提高水下爆炸脉冲压力波的宽度和持续时问从而达到水声对中可以看出纤维爆炸索在水下爆炸时会产生很强的混响效应且能保持在200db左右o5010015o200250300350t
（ 1． Department of Modern Mechanics， University of Science and Technology of China， Hefei 230027 ，China； 2． School of Civil Engineering and Architecture， Nanyang Normal University， Nanyang 473061 ，China）
摘
要： 为了研究纤维爆炸索爆炸水声信号特征 ， 在获得水下爆炸压力测试结果的基础上 ， 对其进行了声压级分
析， 并采用小波变换对水下爆炸信号进行了时频特性分析 ， 讨论了水下爆炸声信号在各频段的能量分布状况 。研究结果 纤维爆炸索水下爆炸具有很强的声功率 ， 纤维爆炸索水下爆炸声信号能量主要集中在 40 kHz 以内， 尤以 5 kHz 以 表明， 下频带能量最高， 如果作为水声干扰源， 完全可以覆盖各类水声器材的各工作频段 ， 或许能在水声对抗中发挥重要作用 。 采用小波分析可以对纤维爆炸索爆炸水声信号特性进行合理研究 ， 达到准确分析信号特征的目的 。 关键词： 纤维爆炸索； 水下爆炸； 小波分析； 能量 中图分类号： TH212 ；TH213． 3 文献标识码： A
Abstract：
With a view to obtaining the characteristics of the underwater detonation acoustic signals of fiberbased
detonating cord，its sound pressure level was analysed based on the results of underwater explosion pressure tests． The energy distribution of underwater detonation signals at different frequency ranges was discussed by analyzing the time frequency characteristics of those underwater explosion signals by adopting the wavelet transform method． The results show that the underwater explosion of fiberbased dБайду номын сангаасtonating cord boasts a high level of acoustic power and that the energy of the underwater detonation signals of fiberbased detonation cord is mainly concentrated in the area of less than 40kHz，and the highest level of energy is below the frequency of 5kHz． Therefore，if used as a source of sound interference，the fiberbased detonating cord is fully capable of covering all the working frequencies of various types of underwater acoustic equipment，as a result of which it may serve an important purpose in underwater warfare． By using wavelet transform，the characteristics of the underwater acoustic signals of fiberbased detonating cord can be studied resonably and analysed accurately． Key words： fiberbased detonating cord； underwater explosion； wavelet analysis； energy 含能材料水下爆炸产生的脉冲波是一个无指向性 的高功率声源， 可以传播很远的距离， 同时会引起很强 的混响效应， 因此含能材料有望成为一种新的噪声干 ［1 ］ 扰源 。 纤维爆炸索作为一种新型低能量导爆索， 由于其 侧向约束力强， 药芯密度高， 装药均匀， 线装药密度低， 爆速稳定， 质量有保证， 因此具有十分广 泛 的 发 展 前 景
3
水下爆炸声压
纤维爆炸索水下爆炸冲击波的瞬时压力峰值非常 高， 持续时间非常短。图 6 为水下爆炸实验获得的纤维 从图中可以看出， 纤维爆 爆炸索水下爆炸声压级时域图， 炸索水下爆炸声压级完全可以达到 200 dB 以上， 在持续 15 ms 以后时纤维爆炸索的爆炸声压级仍在 200 dB 上下 摆动， 说明纤维爆炸索水下爆炸具有很强的声功率， 这是 其有望成为水下干扰声源的显著特点之一。 纤维爆炸索水下爆炸， 会产生气泡脉动， 并产生大 。 量气泡 由于水中介质的不均匀性以及水下爆炸产生 的气泡脉动现象， 当纤维爆炸索水下爆炸产生的爆炸 声源在传播过程中与这些介质相遇， 会产生漫反射和 同时还要考虑到纤维爆炸索水中爆炸传播的多 散射， 路效应， 在传播中产生迭加而出现混响效应， 提高水下 从而达到水声对 爆炸脉冲压力波的宽度和持续时间， 抗的作用。从图 6 中可以看出， 纤维爆炸索在水下爆 炸时会产生很强的混响效应， 且能保持在 200 dB 左右，
地分析爆炸压力信号的特点， 一些研究者
基金项目： 中国博士后基金特别资助项目 （ 201003799 ） ； 河南省教育厅自 然科学研究计划项目 （ 2011B130002 ） ； 安徽高校省级自然科学重大项 目（ KJ2010ZD003 ） ； 南阳师范学院高层次人才科研启动费资助项目 收稿日期： 2010 － 04 － 29 第一作者 贾 修改稿收到日期： 2011 － 06 － 21 1980 年 3 月生 虎 男， 博士， 讲师，
持续一段时间。
4
纤维爆炸索水下爆炸声信号小波分析
为了能够获得爆炸水声信号的细节性质， 提供频 率成分的时间局部信息， 采用一维离散小波变换对纤 以得到信号的细 维爆炸索水下爆炸声信号进行变换， 部特征。 4. 1 小波分析 小波变换具有时间分辨率， 可以分析出不同频率 这就为我们分析和提取纤 成分分量的时间衰减规律， 维爆炸索水下爆炸声信号的有效信息提供了帮助 。 小波分析在实践应用中遇到的很重要的问题就是 小波基的选取， 因为用不同的小波基分析同一问题会 得到不同的结果。目前在非平稳振动信号分析中运用 ［9 ， 10 ］ 。 比较多的是 Daubechies8 小波基函数 试验设置的信号采样频率为 5 MHz， 根据采样定 理， 则其奈奎斯特 （ Nyquist ） 频率为 2． 5 MHz。 根据小 波分析原理， 采用图 5 给出的水下爆炸冲击波压力试 验曲线， 利用 Daubechies8 小波函数对纤维爆炸索水下 爆炸信号进行离散小波变换， 用 db8 小波函数将爆炸 9 ， 信号 分 解 到 第 层 对 应 的 最 低 频 带 为 0 ～ 4． 882 812 5 。 根据图 5 给出的爆炸压力试验曲线， 采用 db8 小 波进行分解后的重构信号以及实测信号与重构信号相 对误差分布如图 7 所示。 从图 7 可以看出实测信号与重构信号之间相对误 二者之间具有高度的一致性， 说明选取的小 差非常小， 波基能真实反映信号情况， 适合处理纤维爆炸索水下 爆炸的短时非平稳随即信号问题 。
小波分析原理
30 mm， 几何尺寸为 φ5 m × 5 m， 水深 4． 4 m， 水池立于 地表并固定在减震设施上， 如图 1 所示。 测试系统主 要有美国 PCB 公司生产的 W138A25 长型电气石水下 PCB 公司的 482A22 型恒流源 激波压力传感器 （ ICP ） ， 和美 国 泰 克 DPO7054 型 示 波 器， 信号采样频率为 5 MHz。ICP 传感器为体积敏感型传感器， 安装时不需将 将 传感器正对爆心。 传感器本身自带的微型放大器， 高阻抗电荷转换成 ＜ 100 Ω 的低阻抗电压输出， 信号可 用普通电缆传送相当远（ 几百米） 而无显著信号衰减和 得到的冲击波 p － t 曲线光滑、 平整。 噪声干扰， 试验样品为纤维爆炸索， 如图 2 所示， 外径为 1． 5 mm， 装药量为黑索金 1． 5 g / m， 纤维爆炸索长 2． 0 m。 纤维爆炸索中点处固定在水池的中轴线水下 2． 9 m 的 位置， 传感器固定在直径为 1 mm 的尼龙线上， 尼龙线 的下端挂配重垂直放入水下， 传感器入水深度 2． 9 m， 与纤维爆炸索中点处放在相同的水深， 距离纤维导爆 炸索 1． 0 m。纤维爆炸索采用雷管一端起爆， 为防止雷 管爆轰影响水中流场， 将雷管置于专门加工的抗爆器 内， 有效 削 弱 雷 管 影 响。 实 验 装 置 平 面 布 置 如 图 3 所示。
小波分析作为目前较为先进的信号分析手段， 已 在包括爆破在内的许多行业领域得到推广应用， 其最 大优点是能对信号的“细则 ” 部分像“显微镜 ” 一样同 ［7 ］ 时在时域和频域给予详细的考察 。 小波分析是一种 时间窗和频率窗都可改 窗口大小固定但形状可改变， 变的时频局部化分析方法。 即在低频部分具有较高的 频率分辨率和较低时间分辨率， 在高频部分具有较高 ［8 ］ 时间分辨率和较小频率分辨率 。 由于小波分析在时 域和频域上都有良好的局部化性质， 并能对不同的频 率成分提供不同的分析分辨率， 这使其性能大大优于 Fourier 变换。在多分辨率条件下， 采用二进制小波时， 信号被分解成低频和高频两部分。 在分解中， 低频部 分失去的信号由高频部分捕获。 下一层分解中再将分 低频部分失 解出的低频部分分解为低频和高频部分， 去的信号仍有高频部分捕获， 如此循环， 最终完成更深 层次的分解。
［5 ， 6 ］
采用小波
变换处理水声信号， 并取得了比较理想的结果。 本文 采用小波变换方法对纤维爆炸索水下爆炸水声特性进 行研究， 并进行小波重构信号能量分布研究， 以期有效 分析爆炸声信号特征， 获得有效水声干扰源， 为水下对 抗提供新的手段。
244
振 动 与 冲 击
2011 年第 30 卷
1