一种岩石声发射源定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于岩石声发射源定位技术领域，尤其与一种基于小波变换和全相位频谱 分析的岩石声发射源定位方法有关。
【背景技术】
[0002] 岩石材料受外力或内力作用时，由于其本身的弹性形变、裂纹扩展，造成脆性材 料内局部因能量的快速释放而发出的瞬态弹性波现象，称为声发射（acousticemission， AE)。声发射是研究脆性材料失稳破裂演化过程的一个良好工具，能连续、实时地监测载荷 作用下脆性材料内部微裂纹的产生和扩展，并实现对其破坏位置的定位，这是其他任何试 验方法都不具有的特点，已被广泛应用于研究岩石、混凝土等材料的破裂失稳机制研究。声 发射事件定位不仅能够获取岩石不同加载阶段其声发射的活动特性，同时能够反映整个加 载过程中岩石内部微裂纹孕育、萌生、扩展、成核和贯通的三维空间演化过程，这对进一步 理解岩石破裂失稳机制无疑是十分有意义的工作。因此，声发射事件定位是研究岩石破裂 失稳过程的关键，而声发射事件定位算法的研究就成为首要任务。现阶段声发射源定位是 在岩石样品表面安装多个传感器，通过获取声发射信号的时间差来实现声发射源定位。目 前定位方法按声发射定位原理分：区域定位法和时差定位法。区域定位法根据声发射信 号的传感器个数和相对时差时序来判定声发射源所处的区域，是一种快速简便而粗略的方 法，具有一定的不确定性。为了得到唯一的定位点，目前声发射源的定位技术大都采用时差 定位。对于时差定位方法，准确确定各传感器接收声发射信号时间差显得尤为重要，其误差 的大小直接影响着定位精度。由于岩石材料中声发射信号传播速度较快，因此，必须采用新 的更精确的时延判定方法，准确确定声发射波的到达时间或各传感器接收到的声发射信号 的时差。
【发明内容】
[0003] 针对上述问题，本发明的目的提供一种能够对声发射源进行精度较高的空间位置 预测的基于小波变换和全相位频谱分析的岩石声发射源定位方法。
[0004] 为此，本发明采用以下技术方案：一种岩石声发射源定位方法，其特征是，包括以 下步骤：
[0005] 步骤1 :制备花岗岩标准长方体试样；
[0006] 步骤2 :在长方体试样的周边放置N个不处于同一平面的声发射传感器，传感器和 试样之间涂凡士林，增强二者之间的耦合性；
[0007] 步骤3 :利用声发射传感器接收试样内部损伤产生的声发射信号；
[0008] 步骤4 :对各个声发射传感器接收的声发射波形进行小波去噪处理和小波分解；
[0009] 步骤5 :从传感器接收的信号中挑选出来自4个不同传感器且主频相同的4个子 带信号，为后续分析提供有效的声发射信号；
[0010] 步骤6 :对步骤5中4个子带信号进行全相位频谱分析，分别求取4个子带信号的 相位，利用相位差法进行时间差测量，求取4个传感器接收声发射信号的时间差。
[0011] 步骤7 :通过步骤6中的确定4个传感器接收声发射信号的时间差，通过四个传感 器的位置坐标采用最小二乘法进行声发射空间定位获得声发射源K点的坐标。
[0012] 作为对上述技术方案的补充和完善，本发明还包括以下技术特征。
[0013] 所述步骤2中的N大于等于4。
[0014] 所述步骤3的内部损伤产生的声发射信号通过断铅实验获得。
[0015] 所述步骤5的具体方法：对小波分解后各层信号进行快速傅里叶变换，获得二维 频谱图，二维频谱图中最大幅值对应的频率为该声发射信号的主频；利用此方法取各层信 号的主频值，对比分析各传感器分解后的子带信号主频，从中找出主频最接近的4个子带 信号，4个子带信号分别来自4个不同传感器。
[0016] 使用本发明可以达到以下有益效果：1、本发明借助于小波分解和全相位频谱分析 结合相位差法进行声发射信号精确时间差估计，可以减小定位误差；2、该方法三维断铅定 位试验定位结果的平均绝对误差比美国PCI-2型声发射仪器定位结果降低3_ ;3、该方法 中全相位频谱分析可以用FFT模块实现，计算速度很快，利于硬件实现。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明的流程图；
[0018] 图2为本发明断铅实验中传感器布置及坐标位置示意图；
[0019] 图3为本发明坐标点（50,45, 25)断铅实验8个传感器接收到的信号及其小波分 解信号频谱图；
[0020] 图4为本发明坐标点（50,45, 25)断铅实验8个传感器接收到的信号及小波分解 后子带信号主频表格图；
[0021] 图5为本发明10次断铅实验全相位相位差法声发射时间延迟测试结果表格图；
[0022] 图6为本发明基于小波分解与全相位频谱分析所测得10次断铅实验定位结果及 误差统计表格图；
[0023] 图7为美国PCI - 2型声发射测试10次断铅实验的定位结果及误差统计表格图；
[0024]图8为本发明全相位相位差法定位与美国PCI-2型声发射仪器定位结果绝对误差 对比图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行详细描述。
[0026] 实施例：如图1~图8所示，本发明包括以下步骤：
[0027] 步骤1 :制备花岗岩标准长方体试样；选用花岗岩为试验样品，花岗岩取自山东莱 州某矿区，制备成50mmX50mmX100mm的标准长方体试样。
[0028] 步骤2:如图2所示，将8个R6α传感器声发射传感器2贴在制备好的长方体试 样1上，传感器和试样之间涂凡士林3,增强二者之间的耦合性。本发明中布置的8个传感 器的坐标分别为Α1 (25,80,0)、Α2 (25, 20,0)、Α3 (50,80, 25)、Α4 (50, 20, 25)、Α5 (25,80, 50)、 Α6 (25, 20, 50)、Α7 (0,80, 25)、Α8 (0, 20, 25)，单位为mm。
[0029]步骤3:在长方体试样上确定位置进行过断铅实验，利用声发射传感器接收试样 内部损伤产生的声发射信号；
[0030] 共做了 10次断铅试验，断铅坐标点分别为（25,60, 50)、（25,45, 50)、（50,60, 25)、 (50,45,25)、（25,60,0)、（25,45,0)、（0,60,25)、（0,45,25)、（25，100,35)、（25，100，15)。
[0031] 步骤4:对各个声发射传感器接收的声发射波形进行小波去噪处理和小波分解； 根据以往选择声发射信号小波基的经验，将Daubechies小波作为小波基，选择Heursure混 合阈值规则和软阈值函数，对获取的声发射信号进行去噪和5层分解处理。
[0032] 步骤5:如图3和图4所示，从众多传感器接收的信号中挑选出来自4个不同传感 器且主频相同的4个子带信号，为后续分析提供有效的声发射信号；以坐标点（50,45,25) 进行断铅试验结果为例，来说明优选声发射信号的过程。对小波分解后各层信号进行快速 傅里叶变换分析，求取各层信号的主频值，如图4所示，可以看出2、5、7和8这4个传感器 接收到的信号经过小波分解后的子带信号频率是相同的，均为43. 01kHz，并且原始的接收 信号主频和分解后的子带信号主频一致，故后续分析坐标点（50,45,25)断铅试验结果时， 可以选择2、5、7和8这4个传感器的第5层细节信号进行全相位相位差计算。
[0033] 步骤6:如图5所示，对步骤5中4个子带信号进行全相位频谱分析，分别找到4个 子带信号主频对应的相位，利用相位差法进行时间差测量，求取断铅试验中4个传感器接 收声发射信号的时间差。