松散煤體中聲波傳播特性及主要路徑實(shí)驗(yàn)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(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710054;2.陜西省煤火災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054)

對(duì)于聲波在多孔介質(zhì)中傳播路徑的相關(guān)研究,BIOT[11-12]提出聲波在非均勻多孔介質(zhì)中的傳播理論,預(yù)測(cè)聲波在媒介中的傳播路徑取決于聲波頻率、兩項(xiàng)介質(zhì)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(zhì)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(duì)聲波在非均勻介質(zhì)中傳播的影響。沈陽工業(yè)大學(xué)顏華團(tuán)隊(duì)[14-16]建立了糧食顆粒中聲波傳播理論模型,認(rèn)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(jìn)行傳輸?shù)?并結(jié)合聲學(xué)層析成像技術(shù)測(cè)量堆積糧食內(nèi)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(cè)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(dāng)儲(chǔ)罐中的谷物被二氧化碳飽和時(shí),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(nèi)聲波吸收系數(shù)和聲波頻率的平方根成正比,然而,針對(duì)聲波在松散煤體內(nèi)傳播路徑的相關(guān)研究較少。

該研究是探索一種應(yīng)用于煤堆及煤倉(cāng)的新方法,所做的是聲波在松散煤體中傳播特性的基礎(chǔ)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(jí)配特性,從低、中、高階煤中分別選取長(zhǎng)焰煤、瘦煤及無煙煤作為研究對(duì)象,研究了聲波在不同氣體環(huán)境及不同氣氛條件下3種煤樣的飛渡時(shí)間,結(jié)合無煙煤重裝煤樣前后聲波飛渡時(shí)間,探究了聲波在松散煤體中傳播的主要路徑,研究結(jié)果可為聲波測(cè)溫在松散煤體中應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法及過程

1.1 試樣制備

實(shí)驗(yàn)分別選用神木四門溝煤礦長(zhǎng)焰煤、山西煤電馬蘭礦瘦煤及山西寺河煤礦無煙煤(以下簡(jiǎn)稱四門溝長(zhǎng)焰煤、馬蘭瘦煤、寺河無煙煤)3種煤樣作為研究對(duì)象,將煤樣從井下運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室,通過鄂式碎煤機(jī)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(jí)配是體現(xiàn)松散介質(zhì)空隙度的參數(shù)[19-20],為排除其他因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,將3種煤樣制成相同的級(jí)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(shí)間的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。松散煤體的空隙率可由煤的堆積密度與表觀密度計(jì)算得出,3種煤樣的工業(yè)分析與空隙率結(jié)果見表1。

表1 煤的工業(yè)分析及性能指標(biāo)

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)及過程

圖1 聲波飛渡時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)Fig.1 Acoustic flying time measurement system

聲速測(cè)量系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)與軟件平臺(tái),其中硬件系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、功率放大器、揚(yáng)聲器、實(shí)驗(yàn)管腔、數(shù)據(jù)采集儀、傳聲器及氣瓶等,其中,實(shí)驗(yàn)腔體中包括強(qiáng)吸聲體、擋網(wǎng)及進(jìn)出氣小孔,具有密閉特性。軟件測(cè)試平臺(tái)包括信號(hào)發(fā)生、測(cè)試、數(shù)據(jù)采集與處理分析模塊,如圖1所示。軟件測(cè)試平臺(tái)可以產(chǎn)生信號(hào),通過功率放大器后傳至揚(yáng)聲器中,揚(yáng)聲器將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲信號(hào)傳入實(shí)驗(yàn)腔體中,通過數(shù)據(jù)采集儀接收傳聲器收集到的經(jīng)過實(shí)驗(yàn)腔體的聲波信號(hào),此時(shí)聲波由聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)中,軟件系統(tǒng)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的分析處理。該研究實(shí)驗(yàn)氣體包括二氧化碳、氮?dú)饧翱諝?種氣體,在實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)腔體為全封閉狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)所用的聲源信號(hào)為1～4 000 Hz的11級(jí)偽隨機(jī)信號(hào),傳聲器的采樣頻率為51 200 Hz,為避免實(shí)驗(yàn)誤差,每種氣氛下測(cè)試5次,采用互相關(guān)分析法得到測(cè)試的聲波飛渡時(shí)間,以其平均值作為最終測(cè)試結(jié)果。在進(jìn)行煤樣重裝前后聲波飛渡時(shí)間測(cè)量時(shí),打開實(shí)驗(yàn)腔體后蓋,將待測(cè)煤樣放置在實(shí)驗(yàn)腔體內(nèi),對(duì)實(shí)驗(yàn)腔體進(jìn)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(hào)如圖2所示。

1.3 計(jì)算方法

聲波飛渡時(shí)間測(cè)量的主要問題是計(jì)算聲源信號(hào)端(傳聲器1采集到的信號(hào))和接收端(傳聲器2采集到的信號(hào))之間的延遲時(shí)間,用于聲學(xué)測(cè)溫信號(hào)時(shí)延估計(jì)方法主要包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析和互相關(guān)函數(shù)法等[21-23]。根據(jù)眾多學(xué)者的實(shí)驗(yàn)研究,基于互相關(guān)函數(shù)的聲波時(shí)延估計(jì)較為可靠[24-25],時(shí)延估計(jì)的本質(zhì)就是傳聲器1與傳聲器2接收到同一信號(hào)的時(shí)間差,信號(hào)處理中尋找接收到信號(hào)的相似性是互相關(guān)函數(shù)的主要任務(wù)。互相關(guān)算法的主要原理是將存在時(shí)間延遲的同源信號(hào)利用互相關(guān)函數(shù)做運(yùn)算,互相關(guān)的極大值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)即聲波飛渡時(shí)間。假設(shè)信號(hào)x1(k)和x2(k)分別為傳聲器1、2位置信號(hào)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(yáng)聲器發(fā)出的源信號(hào),即發(fā)射的聲波信號(hào);k為接收信號(hào)的采樣數(shù)據(jù)長(zhǎng)度;W1、W2為混入背景噪聲之后的信號(hào);D為信號(hào)延遲時(shí)間。

圖2 聲波飛渡時(shí)間測(cè)試信號(hào)Fig.2 Acoustic flying time test signal

由文獻(xiàn)[26]中給出的基于互相關(guān)函數(shù)的聲波飛渡時(shí)間測(cè)量方法可知,通過計(jì)算兩傳聲器接收到信號(hào)的互相關(guān)系數(shù),可得到聲波在2個(gè)傳聲器之間的飛渡時(shí)間。

2 結(jié)果與討論

2.1 聲波在氣體環(huán)境下的飛渡時(shí)間

不同氣體環(huán)境中偽隨機(jī)聲波信號(hào)的互相關(guān)結(jié)果如圖3所示。結(jié)果表明,偽隨機(jī)信號(hào)的互相關(guān)系數(shù)峰值相差較近,分布在0.60～0.85,互相關(guān)系數(shù)的偽峰較低,主峰比較突出。偽隨機(jī)信號(hào)的掃頻周期較小,信號(hào)經(jīng)過互相關(guān)函數(shù)分析后可對(duì)其最大旁瓣值產(chǎn)生抑制作用,可以較為容易地確定互相關(guān)系數(shù),能夠有效降低互相關(guān)峰值的誤判,可以提高聲波飛渡時(shí)間測(cè)量的準(zhǔn)確性。

聲波在不同氣體中的飛渡時(shí)間及聲速如圖4所示。結(jié)果表明,不同氣體條件下聲波飛渡時(shí)間不同,在二氧化碳中的飛渡時(shí)間最長(zhǎng),在氮?dú)庵械娘w渡時(shí)間最短(即聲波在氮?dú)庵械膫鞑ニ俣茸羁?在二氧化碳?xì)怏w中的傳播速度最慢);聲波在空氣中與氮?dú)庵械娘w渡時(shí)間相差很小,總體而言在不同氣體中聲速大小為氮?dú)?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(huán)境中的互相關(guān)結(jié)果Fig.3 Cross-correlation results of acoustic signals in different gas environments

圖4 聲波在不同氣體環(huán)境下的飛渡時(shí)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?yàn)槁暡ㄋ俣扰c氣體的摩爾質(zhì)量有關(guān)[27],一般來說,聲波在摩爾質(zhì)量較高的氣體介質(zhì)中聲速較低,在摩爾質(zhì)量較低的氣體介質(zhì)中聲速較高[28]。二氧化碳的摩爾質(zhì)量為44 g/mol,空氣與氮?dú)獾哪栙|(zhì)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?dú)庵械膫鞑ニ俣认嘟?分別為347.22、352.11 m/s,聲波飛渡時(shí)間的變化與聲波傳播速度有關(guān)。

2.2 不同氣氛條件下3種煤樣的聲波飛渡時(shí)間

不同氣氛條件下3種煤樣的聲波飛渡時(shí)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(jì)算的聲速如圖5(b)所示。結(jié)果表明,聲波在同種煤樣的不同氣氛條件下飛渡時(shí)間不同,二氧化碳?xì)夥障侣暡w渡時(shí)間最長(zhǎng),而氮?dú)鈿夥障侣暡w渡時(shí)間最短,波速與飛渡時(shí)間變化規(guī)律相反;在同一種氣氛下,聲波在相同級(jí)配的不同煤樣中飛渡時(shí)間相差較小,在長(zhǎng)焰煤煤樣中傳播最快,在瘦煤煤樣中傳播最慢,聲波飛渡時(shí)間與煤的變質(zhì)程度沒有表現(xiàn)出明顯規(guī)律性,其數(shù)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(shí)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(gòu)成,一旦松散煤體的堆積形態(tài)發(fā)生變化,其空隙必然發(fā)生改變,為保持單一變量原則,在保持同一堆積形態(tài)下改變氣體環(huán)境進(jìn)行測(cè)試。相較于級(jí)配范圍較大的松散煤體,在相同級(jí)配條件下,松散煤體堆積密度的變化范圍較小,導(dǎo)致聲波傳播的路徑變化較小,進(jìn)而使聲波飛渡時(shí)間相近,因此在相同級(jí)配的同一氣體環(huán)境中,聲波在長(zhǎng)焰煤、瘦煤及無煙煤中的飛渡時(shí)間相差較小,表明煤質(zhì)對(duì)聲波飛渡時(shí)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(shí)間發(fā)生明顯變化,且變化趨勢(shì)與聲波在氣體中的飛渡時(shí)間變化趨勢(shì)一致,表明聲波飛渡時(shí)間受空隙中的氣體組分影響較大。同種氣氛條件下,長(zhǎng)焰煤煤樣的空隙率最大,聲波飛渡時(shí)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(shí)間最長(zhǎng)。

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(shí)間與煤質(zhì)關(guān)系較小,為了排除其他因素對(duì)聲波飛渡時(shí)間的影響,選用無煙煤作為實(shí)驗(yàn)煤樣,聲波在氣體環(huán)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(shí)間與聲速如圖6所示。結(jié)果表明,同一氣氛條件下聲波飛渡時(shí)間在裝樣前后發(fā)生了明顯的變化,重裝煤樣后聲波飛渡時(shí)間變短;相較于聲波在氣體環(huán)境下的飛渡時(shí)間,不同氣氛條件下的重裝煤樣前后飛渡時(shí)間均變長(zhǎng);3種狀態(tài)下不同氣氛中聲波飛渡時(shí)間變化規(guī)律相同,均為二氧化碳>空氣>氮?dú)狻?/p>

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

對(duì)無煙煤煤樣倒出后重裝,改變了松散煤體的堆積形態(tài),導(dǎo)致聲波傳播過程中的路徑發(fā)生改變,使聲波飛渡時(shí)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(shí)間均大于在氣體環(huán)境中的飛渡時(shí)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(zhǎng)。聲波在氣體環(huán)境中、重裝煤樣前、重裝煤樣后3種狀態(tài)下不同氣體條件中的聲波飛渡時(shí)間變化規(guī)律相同(均為二氧化碳>空氣>氮?dú)?且在空氣與氮?dú)庵新暡w渡時(shí)間相差較小),聲波在二氧化碳?xì)夥障碌穆曀僮盥?在氮?dú)鈿夥障碌穆曀僮羁?這一點(diǎn)與在不同氣體條件下的聲波波速實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符,說明聲波傳播的介質(zhì)均為氣體介質(zhì),進(jìn)一步證明聲波是沿著松散煤體內(nèi)的空隙氣體曲折傳播的。

2.4 聲波飛渡時(shí)間變化率分析

聲波在3種氣氛環(huán)境的不同煤樣中傳播時(shí)飛渡時(shí)間變化率如圖7所示。從圖7可以看出,在不同狀態(tài)下,聲波在氮?dú)?空氣氣氛中飛渡時(shí)間變化率均最小;在氮?dú)?二氧化碳?xì)夥罩酗w渡時(shí)間的變化率均最大;不同環(huán)境中聲波飛渡時(shí)間變化率的變化趨勢(shì)相同;無煙煤重裝前后聲波在不同氣氛中聲波飛渡時(shí)間變化率相差較小。

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

氮?dú)馀c空氣的摩爾質(zhì)量相近,聲波在其中傳播時(shí)速度相差較小,因此聲波在氮?dú)馀c空氣氣氛中的飛渡時(shí)間變化率最小;氮?dú)馀c二氧化碳的摩爾質(zhì)量相差最大,聲速相差最大,其在氮?dú)馀c二氧化碳?xì)夥罩械娘w渡時(shí)間變化率最大,無煙煤在重裝前后的堆積形態(tài)發(fā)生變化,但在同一級(jí)配下且煤的種類未變,故飛渡時(shí)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(zhì)傳播的。

3 結(jié) 論

(1)通過測(cè)量聲波在3種不同氣體介質(zhì)(氮?dú)狻⒖諝狻⒍趸?中傳播時(shí)的飛渡時(shí)間,發(fā)現(xiàn)聲波在二氧化碳中的飛渡時(shí)間最長(zhǎng),傳播速度最慢,為268.34 m/s;在氮?dú)馀c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(zhì)量成反比有關(guān)。

(2)通過測(cè)量聲波在相同級(jí)配條件下的3種不同飽和氣體松散煤樣中的飛渡時(shí)間,發(fā)現(xiàn)相同級(jí)配的松散煤體在同一氣氛條件下的聲波飛渡時(shí)間相近,相較于不同氣體中的飛渡時(shí)間均變長(zhǎng),表明聲波在松散煤體中的飛渡時(shí)間與煤化程度關(guān)系較小。無煙煤進(jìn)行重裝后的聲波飛渡時(shí)間變短,但飛渡時(shí)間在不同氣氛中的變化規(guī)律依舊相同(飛渡時(shí)間由長(zhǎng)到短依次為二氧化碳、空氣、氮?dú)?。

(3)研究不同氣氛條件下聲波飛渡時(shí)間變化率,發(fā)現(xiàn)在3種氣氛環(huán)境的不同煤樣中,聲波在氮?dú)?空氣氣氛中聲波飛渡時(shí)間變化率最小;在氮?dú)?二氧化碳?xì)夥罩械淖兓首畲?不同環(huán)境中聲波飛渡時(shí)間變化率的變化趨勢(shì)相同;無煙煤重裝前后聲波在不同氣氛中聲波飛渡時(shí)間變化率相差較小,表明聲波在3種煤樣的五級(jí)級(jí)配松散煤體中傳播時(shí)主要沿著松散煤體的空隙進(jìn)行傳播。