松散煤體中低頻聲波傳聲頻率優選實驗研究

鄧 軍，屈高陽，任帥京，王彩萍，趙小勇

（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）

煤自燃災害一直困擾著煤礦的安全生產，安全準確高效監測采空區煤體溫度場是解決此問題的關鍵[1-2]。現有的煤自燃高溫點探測法主要分為接觸式與非接觸式，熱電偶法、測氡法、鉆孔法等接觸式測溫方法受地下積水等環境因素的影響較大，且井下鉆孔取樣成本高，導致測溫工作量大；遙感法、磁法、自然電位法等非接觸式測溫方法因為信號抗干擾能力差、導致測溫準確率不高，這些問題嚴重影響煤自燃高溫區域的探測[3-4]。

近年來，聲學測溫因具有非接觸式，測量范圍廣、測量空間大、實時連續等優點受到科研人員的關注，目前聲學法測溫技術在鍋爐爐膛、儲糧、堆積生物質等領域廣泛應用[5-8]。通過介質中聲波的傳播速度與該介質的溫度存在函數關系這一物理特性，可以推導出被測對象溫度[9-11]。確定聲波傳播過程中所對應的最佳頻率是提高聲波測溫精度的關鍵，而聲波傳聲損失對于最佳頻率的確定起著重要作用。對于聲波傳聲損失的相關研究，賀梅英等[12]在聲速測量的過程中發現，示波器中信號的極大值會隨接收換能器移動距離的增加而減小，由此開始了聲波的傳聲損失規律的研究；Yu等[13]研究了聲波在糧食中的傳播特性，測量了大豆中500～1200Hz時候聲波的傳聲損失值，并且獲得了糧食中傳聲損失值與聲波頻率的關系曲線；齊成婧等[14]通過研究多分支HQ管的傳聲損失特性，發現HQ管子的長度與直徑會影響聲波的傳聲損失，管長對傳聲損失的影響更大[15-21]。

為明確聲波在松散煤體中傳播的影響因素，確定聲波傳播過程中所對應的最佳頻率，研究了低頻聲波（250～1600Hz）分別在不同粒徑的3種煤樣中的傳聲損失，分析了煤化程度及粒徑對傳聲損失的影響規律，確定了煤體中聲波傳播的最佳頻段。

1 實驗方法及過程

1.1 測試原理及方法

1.1.1 傳播原理

傳聲損失又稱作隔聲量，是指由于聲波在物質中傳播時，在不同物質分界面會產生反射衰減、散射衰減、吸收衰減等行為，導致聲量傳播的減少[22]。

松散煤堆中有2種主要物質，即煤體及煤堆空隙中的空氣。聲波在不同介質中傳輸示意圖如圖1。

圖1 聲波在不同介質中傳輸示意圖Fig.1 Schematic diagram of sound wave transmission in different media

平面聲波以一定角度βr入射到介質Y1和介質Y2的分界面上，一部分的聲波通過角度為βs反射回介質Y1中，另一部分聲波以角度βt折射入介質Y2中，折射入介質Y2中的聲波會繼續傳播下去[23]，圖1中M1、M2分別為2種不同介質的密度。煤堆空隙中的空氣與煤體這2種物質交替存在，因此聲波在松散煤體內傳播過程中就會出現傳聲損失。聲波在松散煤體內進行傳播時，聲波會與煤體孔壁產生黏滯作用[24-25]，在這個作用下部分聲能逐漸被消耗掉，致使傳聲損失加大。

1.1.2 測試方法

采用傳遞函數法計算材料的傳聲損失，該方法通過使用帶4個傳聲器的平面波阻抗管和5通道數據采集儀來測量材料的傳聲損失，在聲源管和接收管中各布置2個傳聲器，同時測量阻抗管壁上4個固定位置處的聲壓值，再利用聲壓值的變化求出傳感器之間的傳遞函數，進而得到材料的傳聲損失[26]。

單個傳遞矩陣測量涉及2個不同端點的基本測量，傳遞矩陣與試樣前后表面的聲壓和質點速度有關，用下標a和b表示，以獲得4個線性方程，用來求解4個位置矩陣元素，如下式所示：

式中：p為聲壓，dB；u為質點速度，m/s；下標a為“無回聲”或者其它最低反射中止；下標b為阻塞或開放中止，它反應一部分入射波；

對于每種載荷情況，分別測定試件兩側（x＝0和x＝d時）的聲壓（p0、pd）和質點速度（u0、ud），計算可得式（3）～式（7）：

根據各荷載工況下的壓力和質點速度值，計算試件的傳遞矩陣T為：

式中：p0a、u0a分別為阻抗管左端到a點處的聲壓與質點速度，Pa，m/s；p0b、u0b分別為阻抗管左端到b點處的聲壓與質點速度，Pa，m/s；pda、uda分別為阻抗管右端到a處的聲壓與質點速度，Pa，m/s；pdb、udb分別為阻抗管右端到b處的聲壓與質點速度，Pa，m/s。

對于幾何對稱的阻抗管來說，兩側的聲場具有相同的物理性質，因此可得式（13）：

由式（1）～式（9）式可確定矩陣的元素，通過測量麥克風傳遞函數的單端情況，如式（10）：

計算材料透射系數t（無回波）得：

入射傳輸損耗（傳聲損失）TLn可由下式計算：

1.2 實驗測試過程

1.2.1 煤樣制備

實驗選取新疆將軍戈壁二號露天煤礦的褐煤、霍州辛置煤礦的焦煤、晉城晶鑫煤礦的無煙煤（以下用新疆褐煤、霍州焦煤、晉城無煙煤代替）3種不同煤化程度的煤樣作為研究對象，通過鄂式破碎機破碎后篩選出6種粒徑（0.9～＜3、3～＜5、5～＜7、7～10、9～10、＞10mm）范圍的煤樣，每種粒徑煤樣各取若干，混合成混樣，以備實驗使用。3種煤樣的工業分析見表1。

表1 煤的工業分析Table1 Industrial analysis of coal %

1.2.2 測試裝置及過程

實驗采用聲學傳聲損失測試系統，主要包括計算機、函數發生器、MPA416型功率放大器、SW422型實驗低頻阻抗管、MC3242型數據采集器、B3N型號全頻揚聲器與MPA416型號傳聲器，CA111型校準器，測試軟件系統采用MCR-IMP型號測試系統。

在進行實驗測量前，首先打開阻抗管側蓋，在裝樣管兩邊放置細密鋼絲網隔離煤樣，將待測煤樣放置在直徑為100mm，厚度為175mm的裝樣管中，裝滿煤樣后，關閉側蓋，緊固螺栓，保證密封環境。實驗所使用的測試信號為250～1600Hz的白噪聲，步長為0.1s，2個傳聲器之間的距離為0.08m。實驗前要對傳聲器與測試設備進行校準，在較為安靜的環境下進行實驗。每組實驗測試3次，取其平均值作為實驗最終結果，并對結果進行一定的光滑處理。

2 結果與討論

2.1 不同煤樣傳聲損失

聲波在相同粒徑、不同煤化程度煤樣中的傳聲損失如圖2。

由圖2可知，不同粒徑范圍內，傳聲損失的變化并沒有隨著煤樣煤化程度的加深而呈現規律性變化，同時，對于同一粒徑下煤樣而言，不同煤化程度煤樣傳聲損失隨著頻率的變化趨勢相同。說明煤樣的煤化程度對傳聲損失的影響較小。

對比圖2（d）7～10mm與圖2（f）9～10mm粒徑煤樣傳聲損失，發現粒徑范圍越小，不同煤化程度煤樣之間的傳聲損失差異性越小。對于粒徑范圍較大的煤樣而言，不同煤化程度煤樣粒徑的分布差異性較大，因此導致傳聲損失大小有差異[27]。

圖2 不同煤化程度煤樣傳聲損失Fig.2 Sound transmission loss of coal samples with different coalification levels

不同粒徑煤樣的空隙率見表2。

表2 不同粒徑煤樣的空隙率Table2 Porosity of coal samples with different particle sizes

結果表明：煤樣的粒徑大小與空隙率成正比，粒徑范圍大小與空隙率亦成正比。煤樣粒徑越小，煤樣粒徑與粒徑之間堆積越密實，致使空隙率變??；煤樣的粒徑范圍越小，煤樣的粒徑越均勻，煤樣中空隙大小相對而言較為統一，煤樣的空隙率越小。實驗結果說明相同粒徑范圍內煤樣粒徑大小分布不均是造成不同煤階煤樣傳聲損失變化的主要原因，也進一步證明了煤化程度對煤樣傳聲損失的影響較小，粒徑是影響傳聲損失的主要因素。煤樣粒徑的變化會影響煤樣空隙大小分布，從側面進一步表明煤樣空隙大小分布是影響傳聲損失的主要原因，說明聲波主要沿著松散煤體內部的空隙傳播。

2.2 不同粒徑煤樣傳聲損失

聲波在相同煤質、不同粒徑煤樣中的傳聲損失如圖3。

由圖3可知，傳聲損失隨著聲波頻率的增加而呈現波浪式上升；隨著煤樣粒徑的增加，傳聲損失逐漸減小，煤樣的粒徑與傳聲損失呈負相關；相比于其它粒徑煤樣，0.9～＜3mm粒徑的煤樣傳聲損失最大；除0.9～＜3mm粒徑煤樣外，其余粒徑傳聲損失之間的差異相對較小；煤樣的傳聲損失最低范圍段約在600～900Hz之間。

圖3 不同粒徑煤樣傳聲損失Fig.3 Sound transmission loss of coal samples of different particle sizes

聲波頻率越大，其波長越短，在物體中的衰減越大，傳聲損失越大[28]，故煤樣的傳聲損失呈現上升的趨勢。松散煤體顆粒之間的每個空隙可以近似地看作1個亥姆赫茲共振器，每層松散煤體可以看作是由多個共振腔并聯而成，不同尺寸的亥姆赫茲共振腔并聯會產生不同的峰值，當聲波頻率等于共振腔的固有頻率時，則會發生共振，傳聲損失則會出現增大的現象[29-30]，表現為煤樣的傳聲損失出現極大值。當聲波頻率超出煤樣共振頻率范圍時，傳聲損失會慢慢減小，當聲波頻率靠近下1個松散煤樣共振頻率點時，傳聲損失又慢慢增大，因此出現煤樣傳聲損失呈現波浪式上升的形狀。

材料傳聲損失值越大，則材料的透射系數越小[31]，傳聲損失的大小與材料的物理特性（彈性模量、密度、結構因子）密切相關[32]。圖3中，相比于其它粒徑，0.9～＜3mm粒徑煤樣傳聲損失最大，這一結論與R.Hickling等人的研究結果相同，他們通過研究儲糧中的聲傳播特性，推測由于顆粒間的摩擦力使得聲波在小顆粒糧食間衰減很快，導致傳聲器無法檢測到通過固體顆粒傳播的聲信號[33]。小粒徑煤樣聲波傳聲損失較大的原因主要有2部分：一部分原因是煤樣過于密實，聲波在進入煤體表面時，大部分聲波被反射回來，導致進入煤體內部的聲波較少；另一部分原因是聲波在進入松散煤體內部后被消耗掉。煤樣粒徑越小，煤堆中煤樣顆粒與顆粒間的空隙越小，曲折度越大，空隙之間的連通性越差，聲波在煤樣中的傳播路徑越復雜，傳播時與煤壁之間的消耗越多，傳聲損失越大。從3～＜5mm粒徑煤樣開始，不同粒徑煤樣的傳聲損失開始減小且波浪式上升的規律性變強，煤樣粒徑越大，其傳聲損失之間的差距越小，這主要是因為煤堆中的空隙超過一定范圍時，空隙之間的連通性變好，聲波更容易通過空隙，聲波與煤壁之間的摩擦變小，粒徑對傳聲損失變化的影響變小，故粒徑越大，不同粒徑煤樣傳聲損失的差異性越小。煤樣的傳聲損失最低段在600～900Hz范圍內，說明此頻率是煤樣的最佳傳聲頻率。

2.3 傳聲損失極值分析

除0.9～＜3mm外不同范圍粒徑煤樣下，最優傳聲頻率及其其對應的傳聲損失如圖4，不同傳聲頻率的傳聲損失的極大值及其對應的頻率如圖5。

圖4 最優傳聲頻率及其其對應的傳聲損失Fig.4 Optimal sound transmission frequency and its corresponding sound transmission loss

圖5 傳不同傳聲頻率的傳聲損失的極大值及其對應的頻率Fig.5 The maximum and the corresponding frequency of simultaneous interpreting of different transmission frequencies

由圖4（a）和圖4（b）可知，不同煤樣的最優傳聲頻率隨粒徑的增大而增大，最優傳聲頻率的范圍介于660～868Hz，基于最優傳聲頻率得到的傳聲損失極小值范圍在2.08～5.2dB，且傳聲損失極小值隨煤樣粒徑的增大而減??；圖5（a）和圖5（b）分別表示不同粒徑煤樣分別在250～600Hz和900～1600Hz范圍內的傳聲損失極大值及其對應的聲波頻率，不同煤樣的傳聲損失極大值對應的頻率整體隨粒徑的增大而增大，其范圍在334～484Hz與1244～1352Hz，根據最差傳聲頻率得到的傳聲損失極小值范圍在4.66～7.64dB，整體而言傳聲損失極大值隨煤樣粒徑的增大而減小。

煤樣粒徑的不同會導致聲波傳播通道不同，聲波在松散煤體中主要沿著粒徑間的空隙傳播，當煤樣粒徑變大時相應的堆積空隙就會變大，聲波傳播更加容易，當煤樣粒徑增加到某一特定值時，空隙中的黏滯作用對傳聲損失的影響減小，傳聲損失數值減小的速率開始降低，因此煤樣的傳聲損失極小值與極大值會隨著煤樣粒徑的增加而減小，且減小的速率逐漸變緩。聲波頻率越高，其波長越短，越容易受到物體的阻擋，傳聲損失越大，衰減的越快，故在900～1600Hz內的傳聲損失極大值大于250～600 Hz內的傳聲損失極大值。因此，排除250～600Hz與900～1600Hz范圍內的傳聲頻率，選用600～900Hz的傳聲頻率作為聲波發射信號頻率。

2.4 松散煤體聲波頻率優選

聲波在松散煤體中的傳聲損失越小，表明此時所選的聲波信號的穿透性越好。在實際測試環境中的松散煤體并非為均勻粒徑，為進一步探究實際情況下松散煤體中聲波的最優傳聲頻率，對3種煤樣混合粒徑的傳聲損失進行測量，混合粒徑煤樣中的傳聲損失如圖6。

圖6 混合粒徑煤樣中的傳聲損失Fig.6 Sound transmission loss in coal samples with mixed particle size

由圖6可知，3種煤樣的混合粒徑傳聲損失變化趨勢大致相同；3種煤樣的最小傳聲損失對應的傳聲頻率分別為686、690、718Hz；不同煤化程度混徑煤樣最優傳聲損失對應的頻率有差異。

煤樣在進行混合的過程中，由于各個粒徑范圍的煤樣比例不同，并且小粒徑的煤顆粒會填充到大粒徑與大粒徑之間的空隙中，致使煤樣中空隙分布不均，導致聲波在松散煤體中的傳輸路徑產生差異，進而影響不同變質程度煤樣的傳聲損失值差異較大，因此不同煤化程度混合粒徑煤樣對應的最優傳聲頻率有差異。通過對比分析不同粒徑范圍內的最優傳聲頻率，結果表明不同粒徑煤樣與混合粒徑煤樣的最優傳聲頻率均在600～900Hz范圍內。

3 結 論

1）聲波在不同粒徑煤樣中傳播時，傳聲損失隨著聲波頻率的增加而呈現波浪式上升，粒徑越大，波浪式上升規律越明顯，煤樣的傳聲損失與其粒徑呈負相關，煤化程度對傳聲損失的影響較小，粒徑是影響煤樣傳聲損失的主要因素，聲波在松散煤體中主要是沿著粒徑間的空隙傳播。

2）不同粒徑煤樣的最優傳聲頻率范圍介于600～900Hz之間，基于最優傳聲頻率得到最小傳聲損失范圍在2.08～8.25dB，煤樣的最優傳聲頻率隨著粒徑的增大而增大，且煤樣傳聲損失極小值隨著粒徑的增大而減小。

3）不同煤化程度混合粒徑煤樣的傳聲損失變化規律基本一致，傳聲損失極小值對應頻率大致在700Hz。