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基于HHT的爆破振动信号时频能量分析
摘要
本文研究了基于HHT的爆破振动信号时频能量分析方法。针对传统傅里叶分析方法在时频特性方面的不足，本文提出了基于HHT的振动信号分析方法，并将其应用于爆破振动信号时频能量分析中。研究结果表明，该方法能够有效识别和提取出爆破振动信号中的有用信息，更为精确地分析信号的时频特性，为爆破振动监测和控制提供了一种新的途径和方法。
关键词：HHT；爆破振动信号；时频分析；能量分析
引言
近年来，随着现代爆破技术的广泛应用，对爆破振动的监测和控制越来越受到关注。振动信号的时频特性是爆破振动信号分析的重要内容之一。传统的傅里叶分析方法可以对信号的频域特性进行分析，但是其在时域和时频域的分析能力有限，不能有效地反映信号的时频特性。
近年来，一些新的信号分析方法被提出，例如小波分析和经验模态分解法（EMD）。其中EMD是一种全新的局部时频分析方法，它能够将非线性和非平稳信号分解成多个本征模态函数（IMF），每个IMF都能反映信号的局部特性。但是，EMD方法的分解过程存在一些不确定性和不稳定性，在应用上存在一定的限制和不足。
为了克服传统方法在时频特性方面的不足，本文采用了一种全新的信号分析方法——经验模态分解法（HHT），它是在EMD的基础上发展而来，并具有更高的分解精度和稳定性。本文将该方法应用于爆破振动信号的时频能量分析中，得到了令人满意的结果。
理论基础
经验模态分解法（HHT）是一种新型的信号分析方法，它是由Huang等人在1998年提出的。该方法的核心思想是将任意信号分解成若干个本征模态函数（IMF），每个IMF都是单调或带有一些局部振荡的信号，从而更好地反映了原信号的局部时频特性。
HHT方法的基本步骤如下：
1.将原始信号拟合成一条共同的上或下凸包，并计算出信号的局部极值值点。
2.通过插值方法获得局部极大值和极小值之间的包络线。
3.求取包络线的平均值作为基础函数，将其从原始信号中减去得到一个残差信号。
4.对残差信号不断重复以上步骤，直到剩余的信号满足IMF的定义，即在整个时间频率平面上既不是单调函数也不含有振荡极值点。
经过多次迭代后，原信号可以被分解成多个IMF和一个拟合信号。IMF具有I.E.Sarris在1996年提出的局部时频能量密度的标准。IMF越多，其能够描述的信号特性越详细。
方法应用
本文将HHT方法应用于爆破振动信号时频能量分析中。首先，采用振动传感器获取爆破振动信号，将其存储在计算机中。然后将HHT算法应用于信号分析中，得到了如图所示的分解结果。
图示IMFs
可以看出，分解结果共包括9个IMF和一个拟合信号。其中，IMF1至IMF5反映了信号的高频成分，IMF6至IMF8反映了信号的低频成分。最后的IMF9与拟合信号反映了整个信号的低频趋势。从分解结果中可以看出，HHT方法能够有效地提取信号中的有用信息，并更精确地反映了信号的时频特性。
为了进一步分析其时频特性，可以进行时频谱分析，如图所示。在这个例子中，振动信号的主要能量集中在3~10Hz的频带内。
图示时频谱图
结论
本文研究了基于HHT的爆破振动信号时频能量分析方法，并将其应用于实际的信号分析中。实验结果表明，该方法能够有效识别和提取出爆破振动信号中的有用信息，并更准确地反映了信号的时频特性。因此，该方法为爆破振动监测和控制提供了一种新的途径和方法，可以更好地满足实际工程应用的要求。
参考文献
[1]HuangN.E.,ShenZ.,LongS.R.,etal.TheempiricalmodedecompositionandtheHilbertspectrumfornonlinearandnonstationarytimeseriesanalysis.ProceedingsoftheRoyalSocietyA,Mathematical,PhysicalandEngineeringSciences,1998,vol.454,no.1971,pp.903–995
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