射流冲击特性与声发射信号的试验研究*

朱犇犇，赵 韡，祝锡晶，曹丽亭

(中北大学机械工程学院，太原 030051)

0 引言

目前我国煤矿开采存在煤层气的抽采率不高等问题。而物理场激励、水力割缝、爆破震动等[1-5]是提高煤层气抽采率的基本方法，其中水力割缝应用的是岩石动态损伤理论，利用高压水射流的钻孔技术能够有效提高煤层的透气性，从而提高煤层气的开采效率。当射流冲击岩石发生变形时，岩石内部原先存在或新产生的微裂纹突然发生破坏，从而向四周辐射弹性波。利用声发射传感技术能够间接反应材料内部的结构变化，其应用对射流发展和研究具有非常重要的意义[6]。

Mohan R S等[7]在水力磨削加工过程中。使用声发射(AE)传感技术监测了不同加工机制消耗的能量，建立了能量耗散模型，用功率谱密度函数(PSD)区分各个阶段的能量耗散水平。Momber A W等[8]利用傅里叶变换分离了水力磨蚀的3个断裂范围参数，讨论了5种不同混凝土混合物在水力磨蚀过程中的声发射信号。Tian S C等[9]将声发射传感技术和水听器结合起来，对4种类型沉积岩的声发射特征、性能和能量耗散进行了在线监测，结果得到了流体脉动和岩石破坏的主要频率，并利用信号能量对岩石的相关特性进行了研究。Vincent P等[10]用磨料水射流切割不锈钢产生的声发射信号进行了频谱分析，根据不同工况条件下的振幅大小，用来计算材料去除的效率。龚中良等将声发射技术和信号处理应用于检测领域，分析了信号频谱和功率谱特征差异，为后续射流的研究提供了参考[11-12]。

本课题主要研究了水射流在冲击大理石过程中，用声发射系统采集了不同位置的声发射信号，进行了信号处理和分析，揭示了射流的声信号在冲击过程中的衰减规律、频谱的分布特征和能量变化。为将来反馈射流特性和提高射流增透性能的研究提出了一种新的思路。

1 实验装置和内容

1.1 实验装置

采用高压水射流对大理石进行冲击实验，搭建实验平台。主要由高压水系统和声发射数据采集系统两部分组成，通过控制变频器频率改变柱塞泵的流量来调节喷嘴的工作压力，声发射系统通过声发射AE传感器提取射流冲击靶物产生的表面振动波信号。

图1所示声发射测量装置，声发射(Acoustic Emission, 简称AE) 是材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象，有时也称为应力波发射。由于材料内部结构发生变化而引起材料内应力突然重新分布；使机械能转变为声能；产生弹性波，声发射的频率一般在1kHz～1MHz之间。大多数材料的声信号强度很弱，需要借助灵敏度高的电子仪器才能检测出来。

图1 声发射原理示意图

1.2 实验内容

(1)传感器布置

沿着射流冲击的方向分别布置5个传感器，间隔8 cm，如图2所示，以此按图顺序编号。分别布置对应的5个通道，进行数据采集。

图2 传感器分布图

(2)实验条件

为了研究声振信号的传输特性，实验设计了表1以上几种加载条件，目前实验室射流喷嘴主要有0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm，射流压力选择10 MPa、15 MPa、20 MPa、25 MPa、30 MPa。

表1 试验方案

2 声振信号处理和分析

通常由滤波器和傅里叶变换的方法来降噪，但是他们也有很多缺点，比如大多数滤波器在降低噪声的同时也会导致边缘强度的损失，傅里叶变换方法去噪声不能区分有用信号的高频部分和高频干扰。这种情况特别是在去除高频噪声的同时需要保留信号高频成分就无能为力了。

小波变换去噪声的方法可以很好地保护有用信号尖峰和突变信号。适用于暂态信号和瞬态信号的噪声去除，以及抑制高频噪声的干扰，有效地将高频信息和高频噪声区分开来。

2.1 小波变换的去噪原理

小波变换具有良好的时频局部化特性，保留主要由信号控制的小波系数，发现并去掉由噪声控制的小波系数。剩下的小波系数做逆变换得到降躁后的信号。

小波公式如下：

(1)

本文将采集的发射信号导入MATLAB中进行小波降噪处理。首先进行一层离散小波分解与重构对电压信号进行一层小波分解得到近似系数和细节系数，对一维数据进行处理。

2.2 小波降噪前后的变化

选择一维小波变换阈值去除噪声，再执行细节系数的实际阈值，然后得到处理后的减噪信号。

图3所示为降噪前后的对比图。可以看出降噪后电压幅值明显的降低，区别效果清晰可见。

图3 降噪前后对比图

3 实验结果分析

3.1 频谱分析

经过信号处理之后得到频谱图，如图4所示，其中两种不同加载条件下的频谱图，经过对比不难发现，不同压力、不同直径、不同通道的频率带分布范围大体一致主要分布在0～100 kHz范围内，而幅值大小差别比较大。

对20组数据共100个声发射信号进行了批量处理，得到如图5、图6所示的幅值期望变化图，通过对其幅值期望进行分析，发现前3个通道距离射流源的位置比较近，幅值来回波动范围不大，后2个通道距离射流源的位置比较远，幅值变化比较大，除了0.6 mm外，随着压力变大，前3个通道振幅越来越大，后3个通道衰减速度基本相差不大。正好与靶距的变化相互验证，即存在最佳的靶距。根据射流靶距增加一倍，覆盖面积将增加4倍，但水射流打击力仅为原来的1/4；所以声发射分析的结果具有的一定的合理性。

图4 不同加载条件的频谱图

图5 同压不同口径时的幅值变化

图6 用口径不同压力的幅值变化

3.2 PSD功率谱分析

图7为口径0.8 mm压力30 MPa第一通道和口径0.6 mm压力20 mm第1通道两种不同加载条件下声信号的功率谱密度曲线。

图7 不同加载条件的对比图

经对比发现，形状大体相似，而大小明显不同。通过共100组数据，对PSD求期望进行统计分析，如图8所示。

图8 不同压力的功率密度谱曲线

当初始压力增加时，相同位置处的单位频带内功率在增加；当压力不变时，距离喷嘴较近的地方功率变化不是很大，较远的距离均匀递减，衰减速度变化不大；而口径的变化对其影响不是很明显。

4 结论

利用声发射技术可以判断射流的特性，验证其准确性和可靠性。

(1)射流压力在10 MPa～30 MPa， 喷头口径0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm、1.0 mm，不同位置处声振频率主要分布在1 kHz～80 kHz。

(2)相同压力下，当喷嘴口径0.4 mm～1.0 mm逐渐增加时，振动信号在传递过程中幅值和能量在短距离内变化稳定，距离大于25 cm后加速衰减。

(3)当压力10 MPa～30 MPa逐渐增加时，口径较小的声信号的幅值和能量增加明显；口径较大时，增加较慢，而距离超过25 cm后时衰减速度加快。

(4)冲击声振信号的分析从微观的角度分析了射流作业能力在远距离的传递规律。