松散煤体中低频声波传声频率优选实验研究

邓 军，屈高阳，任帅京，王彩萍，赵小勇

（1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.陕西省煤火灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054）

煤自燃灾害一直困扰着煤矿的安全生产，安全准确高效监测采空区煤体温度场是解决此问题的关键[1-2]。现有的煤自燃高温点探测法主要分为接触式与非接触式，热电偶法、测氡法、钻孔法等接触式测温方法受地下积水等环境因素的影响较大，且井下钻孔取样成本高，导致测温工作量大；遥感法、磁法、自然电位法等非接触式测温方法因为信号抗干扰能力差、导致测温准确率不高，这些问题严重影响煤自燃高温区域的探测[3-4]。

近年来，声学测温因具有非接触式，测量范围广、测量空间大、实时连续等优点受到科研人员的关注，目前声学法测温技术在锅炉炉膛、储粮、堆积生物质等领域广泛应用[5-8]。通过介质中声波的传播速度与该介质的温度存在函数关系这一物理特性，可以推导出被测对象温度[9-11]。确定声波传播过程中所对应的最佳频率是提高声波测温精度的关键，而声波传声损失对于最佳频率的确定起着重要作用。对于声波传声损失的相关研究，贺梅英等[12]在声速测量的过程中发现，示波器中信号的极大值会随接收换能器移动距离的增加而减小，由此开始了声波的传声损失规律的研究；Yu等[13]研究了声波在粮食中的传播特性，测量了大豆中500～1200Hz时候声波的传声损失值，并且获得了粮食中传声损失值与声波频率的关系曲线；齐成婧等[14]通过研究多分支HQ管的传声损失特性，发现HQ管子的长度与直径会影响声波的传声损失，管长对传声损失的影响更大[15-21]。

为明确声波在松散煤体中传播的影响因素，确定声波传播过程中所对应的最佳频率，研究了低频声波（250～1600Hz）分别在不同粒径的3种煤样中的传声损失，分析了煤化程度及粒径对传声损失的影响规律，确定了煤体中声波传播的最佳频段。

1 实验方法及过程

1.1 测试原理及方法

1.1.1 传播原理

传声损失又称作隔声量，是指由于声波在物质中传播时，在不同物质分界面会产生反射衰减、散射衰减、吸收衰减等行为，导致声量传播的减少[22]。

松散煤堆中有2种主要物质，即煤体及煤堆空隙中的空气。声波在不同介质中传输示意图如图1。

图1 声波在不同介质中传输示意图Fig.1 Schematic diagram of sound wave transmission in different media

平面声波以一定角度βr入射到介质Y1和介质Y2的分界面上，一部分的声波通过角度为βs反射回介质Y1中，另一部分声波以角度βt折射入介质Y2中，折射入介质Y2中的声波会继续传播下去[23]，图1中M1、M2分别为2种不同介质的密度。煤堆空隙中的空气与煤体这2种物质交替存在，因此声波在松散煤体内传播过程中就会出现传声损失。声波在松散煤体内进行传播时，声波会与煤体孔壁产生黏滞作用[24-25]，在这个作用下部分声能逐渐被消耗掉，致使传声损失加大。

1.1.2 测试方法

采用传递函数法计算材料的传声损失，该方法通过使用带4个传声器的平面波阻抗管和5通道数据采集仪来测量材料的传声损失，在声源管和接收管中各布置2个传声器，同时测量阻抗管壁上4个固定位置处的声压值，再利用声压值的变化求出传感器之间的传递函数，进而得到材料的传声损失[26]。

单个传递矩阵测量涉及2个不同端点的基本测量，传递矩阵与试样前后表面的声压和质点速度有关，用下标a和b表示，以获得4个线性方程，用来求解4个位置矩阵元素，如下式所示：

式中：p为声压，dB；u为质点速度，m/s；下标a为“无回声”或者其它最低反射中止；下标b为阻塞或开放中止，它反应一部分入射波；

对于每种载荷情况，分别测定试件两侧（x＝0和x＝d时）的声压（p0、pd）和质点速度（u0、ud），计算可得式（3）～式（7）：

根据各荷载工况下的压力和质点速度值，计算试件的传递矩阵T为：

式中：p0a、u0a分别为阻抗管左端到a点处的声压与质点速度，Pa，m/s；p0b、u0b分别为阻抗管左端到b点处的声压与质点速度，Pa，m/s；pda、uda分别为阻抗管右端到a处的声压与质点速度，Pa，m/s；pdb、udb分别为阻抗管右端到b处的声压与质点速度，Pa，m/s。

对于几何对称的阻抗管来说，两侧的声场具有相同的物理性质，因此可得式（13）：

由式（1）～式（9）式可确定矩阵的元素，通过测量麦克风传递函数的单端情况，如式（10）：

计算材料透射系数t（无回波）得：

入射传输损耗（传声损失）TLn可由下式计算：

1.2 实验测试过程

1.2.1 煤样制备

实验选取新疆将军戈壁二号露天煤矿的褐煤、霍州辛置煤矿的焦煤、晋城晶鑫煤矿的无烟煤（以下用新疆褐煤、霍州焦煤、晋城无烟煤代替）3种不同煤化程度的煤样作为研究对象，通过鄂式破碎机破碎后筛选出6种粒径（0.9～＜3、3～＜5、5～＜7、7～10、9～10、＞10mm）范围的煤样，每种粒径煤样各取若干，混合成混样，以备实验使用。3种煤样的工业分析见表1。

表1 煤的工业分析Table1 Industrial analysis of coal %

1.2.2 测试装置及过程

实验采用声学传声损失测试系统，主要包括计算机、函数发生器、MPA416型功率放大器、SW422型实验低频阻抗管、MC3242型数据采集器、B3N型号全频扬声器与MPA416型号传声器，CA111型校准器，测试软件系统采用MCR-IMP型号测试系统。

在进行实验测量前，首先打开阻抗管侧盖，在装样管两边放置细密钢丝网隔离煤样，将待测煤样放置在直径为100mm，厚度为175mm的装样管中，装满煤样后，关闭侧盖，紧固螺栓，保证密封环境。实验所使用的测试信号为250～1600Hz的白噪声，步长为0.1s，2个传声器之间的距离为0.08m。实验前要对传声器与测试设备进行校准，在较为安静的环境下进行实验。每组实验测试3次，取其平均值作为实验最终结果，并对结果进行一定的光滑处理。

2 结果与讨论

2.1 不同煤样传声损失

声波在相同粒径、不同煤化程度煤样中的传声损失如图2。

由图2可知，不同粒径范围内，传声损失的变化并没有随着煤样煤化程度的加深而呈现规律性变化，同时，对于同一粒径下煤样而言，不同煤化程度煤样传声损失随着频率的变化趋势相同。说明煤样的煤化程度对传声损失的影响较小。

对比图2（d）7～10mm与图2（f）9～10mm粒径煤样传声损失，发现粒径范围越小，不同煤化程度煤样之间的传声损失差异性越小。对于粒径范围较大的煤样而言，不同煤化程度煤样粒径的分布差异性较大，因此导致传声损失大小有差异[27]。

图2 不同煤化程度煤样传声损失Fig.2 Sound transmission loss of coal samples with different coalification levels

不同粒径煤样的空隙率见表2。

表2 不同粒径煤样的空隙率Table2 Porosity of coal samples with different particle sizes

结果表明：煤样的粒径大小与空隙率成正比，粒径范围大小与空隙率亦成正比。煤样粒径越小，煤样粒径与粒径之间堆积越密实，致使空隙率变小；煤样的粒径范围越小，煤样的粒径越均匀，煤样中空隙大小相对而言较为统一，煤样的空隙率越小。实验结果说明相同粒径范围内煤样粒径大小分布不均是造成不同煤阶煤样传声损失变化的主要原因，也进一步证明了煤化程度对煤样传声损失的影响较小，粒径是影响传声损失的主要因素。煤样粒径的变化会影响煤样空隙大小分布，从侧面进一步表明煤样空隙大小分布是影响传声损失的主要原因，说明声波主要沿着松散煤体内部的空隙传播。

2.2 不同粒径煤样传声损失

声波在相同煤质、不同粒径煤样中的传声损失如图3。

由图3可知，传声损失随着声波频率的增加而呈现波浪式上升；随着煤样粒径的增加，传声损失逐渐减小，煤样的粒径与传声损失呈负相关；相比于其它粒径煤样，0.9～＜3mm粒径的煤样传声损失最大；除0.9～＜3mm粒径煤样外，其余粒径传声损失之间的差异相对较小；煤样的传声损失最低范围段约在600～900Hz之间。

图3 不同粒径煤样传声损失Fig.3 Sound transmission loss of coal samples of different particle sizes

声波频率越大，其波长越短，在物体中的衰减越大，传声损失越大[28]，故煤样的传声损失呈现上升的趋势。松散煤体颗粒之间的每个空隙可以近似地看作1个亥姆赫兹共振器，每层松散煤体可以看作是由多个共振腔并联而成，不同尺寸的亥姆赫兹共振腔并联会产生不同的峰值，当声波频率等于共振腔的固有频率时，则会发生共振，传声损失则会出现增大的现象[29-30]，表现为煤样的传声损失出现极大值。当声波频率超出煤样共振频率范围时，传声损失会慢慢减小，当声波频率靠近下1个松散煤样共振频率点时，传声损失又慢慢增大，因此出现煤样传声损失呈现波浪式上升的形状。

材料传声损失值越大，则材料的透射系数越小[31]，传声损失的大小与材料的物理特性（弹性模量、密度、结构因子）密切相关[32]。图3中，相比于其它粒径，0.9～＜3mm粒径煤样传声损失最大，这一结论与R.Hickling等人的研究结果相同，他们通过研究储粮中的声传播特性，推测由于颗粒间的摩擦力使得声波在小颗粒粮食间衰减很快，导致传声器无法检测到通过固体颗粒传播的声信号[33]。小粒径煤样声波传声损失较大的原因主要有2部分：一部分原因是煤样过于密实，声波在进入煤体表面时，大部分声波被反射回来，导致进入煤体内部的声波较少；另一部分原因是声波在进入松散煤体内部后被消耗掉。煤样粒径越小，煤堆中煤样颗粒与颗粒间的空隙越小，曲折度越大，空隙之间的连通性越差，声波在煤样中的传播路径越复杂，传播时与煤壁之间的消耗越多，传声损失越大。从3～＜5mm粒径煤样开始，不同粒径煤样的传声损失开始减小且波浪式上升的规律性变强，煤样粒径越大，其传声损失之间的差距越小，这主要是因为煤堆中的空隙超过一定范围时，空隙之间的连通性变好，声波更容易通过空隙，声波与煤壁之间的摩擦变小，粒径对传声损失变化的影响变小，故粒径越大，不同粒径煤样传声损失的差异性越小。煤样的传声损失最低段在600～900Hz范围内，说明此频率是煤样的最佳传声频率。

2.3 传声损失极值分析

除0.9～＜3mm外不同范围粒径煤样下，最优传声频率及其其对应的传声损失如图4，不同传声频率的传声损失的极大值及其对应的频率如图5。

图4 最优传声频率及其其对应的传声损失Fig.4 Optimal sound transmission frequency and its corresponding sound transmission loss

图5 传不同传声频率的传声损失的极大值及其对应的频率Fig.5 The maximum and the corresponding frequency of simultaneous interpreting of different transmission frequencies

由图4（a）和图4（b）可知，不同煤样的最优传声频率随粒径的增大而增大，最优传声频率的范围介于660～868Hz，基于最优传声频率得到的传声损失极小值范围在2.08～5.2dB，且传声损失极小值随煤样粒径的增大而减小；图5（a）和图5（b）分别表示不同粒径煤样分别在250～600Hz和900～1600Hz范围内的传声损失极大值及其对应的声波频率，不同煤样的传声损失极大值对应的频率整体随粒径的增大而增大，其范围在334～484Hz与1244～1352Hz，根据最差传声频率得到的传声损失极小值范围在4.66～7.64dB，整体而言传声损失极大值随煤样粒径的增大而减小。

煤样粒径的不同会导致声波传播通道不同，声波在松散煤体中主要沿着粒径间的空隙传播，当煤样粒径变大时相应的堆积空隙就会变大，声波传播更加容易，当煤样粒径增加到某一特定值时，空隙中的黏滞作用对传声损失的影响减小，传声损失数值减小的速率开始降低，因此煤样的传声损失极小值与极大值会随着煤样粒径的增加而减小，且减小的速率逐渐变缓。声波频率越高，其波长越短，越容易受到物体的阻挡，传声损失越大，衰减的越快，故在900～1600Hz内的传声损失极大值大于250～600 Hz内的传声损失极大值。因此，排除250～600Hz与900～1600Hz范围内的传声频率，选用600～900Hz的传声频率作为声波发射信号频率。

2.4 松散煤体声波频率优选

声波在松散煤体中的传声损失越小，表明此时所选的声波信号的穿透性越好。在实际测试环境中的松散煤体并非为均匀粒径，为进一步探究实际情况下松散煤体中声波的最优传声频率，对3种煤样混合粒径的传声损失进行测量，混合粒径煤样中的传声损失如图6。

图6 混合粒径煤样中的传声损失Fig.6 Sound transmission loss in coal samples with mixed particle size

由图6可知，3种煤样的混合粒径传声损失变化趋势大致相同；3种煤样的最小传声损失对应的传声频率分别为686、690、718Hz；不同煤化程度混径煤样最优传声损失对应的频率有差异。

煤样在进行混合的过程中，由于各个粒径范围的煤样比例不同，并且小粒径的煤颗粒会填充到大粒径与大粒径之间的空隙中，致使煤样中空隙分布不均，导致声波在松散煤体中的传输路径产生差异，进而影响不同变质程度煤样的传声损失值差异较大，因此不同煤化程度混合粒径煤样对应的最优传声频率有差异。通过对比分析不同粒径范围内的最优传声频率，结果表明不同粒径煤样与混合粒径煤样的最优传声频率均在600～900Hz范围内。

3 结 论

1）声波在不同粒径煤样中传播时，传声损失随着声波频率的增加而呈现波浪式上升，粒径越大，波浪式上升规律越明显，煤样的传声损失与其粒径呈负相关，煤化程度对传声损失的影响较小，粒径是影响煤样传声损失的主要因素，声波在松散煤体中主要是沿着粒径间的空隙传播。

2）不同粒径煤样的最优传声频率范围介于600～900Hz之间，基于最优传声频率得到最小传声损失范围在2.08～8.25dB，煤样的最优传声频率随着粒径的增大而增大，且煤样传声损失极小值随着粒径的增大而减小。

3）不同煤化程度混合粒径煤样的传声损失变化规律基本一致，传声损失极小值对应频率大致在700Hz。