岩石在单轴压缩条件下声发射主频提取方法
【技术领域】
[0001]本发明属于声发射探测领域，涉及一种岩石在单轴压缩条件下声发射主频的提取方法。
【背景技术】
[0002]声发射(Acoustic Emiss1n，简称AE)技术是利用岩石变形过程中，内部破裂的产生和破裂面之间的摩擦滑动所辐射的超声波信息，连续不断地观测岩石材料内部微破裂的动态演化，以此来研究岩石变形、破坏的微观机制。在岩体的稳定性研究方面有重要作用，被广泛应用于研究岩石等材料的破坏研究。近些年来，学者们开始从声发射波谱分析的角度对岩石破裂发生机理进行研究，寻求岩石破裂的充分必要条件。声发射波形携带有岩石受力状态、结构、物理力学性质等全部信息，分析波谱信息能够更好了解岩石破坏机制及破坏前兆。
[0003]如何针对岩石声发射信号的特点，利用频谱分析技术准确有效提取声发射信号的频率特征，确定声发射信号主频显得尤为重要。然而到目前为止，国际上还尚未形成明确的建议方法来确定岩石声发射信号的主频。
【发明内容】
[0004]本发明提供了一种岩石在单轴压缩条件下声发射主频提取方法。
[0005]本发明采用的技术方案如下:
一种岩石在单轴压缩条件下声发射主频提取方法，其特征在于，按如下步骤进行:
a、将岩石制备成长方体试样；
b、将声发射传感器贴在制备好的长方体试样上；
c、利用岩石力学试验机对试样施加载荷，利用声发射传感器接收试样内部损伤产生的声发射信号，试验过程中采用声发射监测系统实时同步监测试样的破裂过程；
d、利用声发射频谱分析系统，对步骤c中接收到声发射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的主频；
e、收集试样从加载到破坏整个过程的全部声发射波形信号，对所有波形进行傅里叶变换变换，获得不同时刻的主频信息，绘制载荷、主频与时间的关系曲线，利用主频对岩石单轴压缩损伤特性进行描述。
[0006]本发明为获取岩石在单轴压缩条件下的声发射信号主频提供了一种新方法，其优点如下:该方法利用快速傅里叶变换提取声发射信号的主频，简单高效，易于推广；该方法可以实现对岩石灾变过程所有声发射波形进行快速傅里叶变换，获取岩石灾变过程全方位的主频信息。
[0007]本发明的优选方案是:
步骤a中岩石选用花岗岩、玄武岩或煤矸石。
[0008]步骤a中试样尺寸为50mmX50mmX 100mm的长方体，试样两端面不平整度误差小于0.05mm，沿高度两对边长度误差小于0.3mm。
[0009]步骤b中声发射传感器为R6a型谐振式高灵敏度传感器，其工作频率为35?lOOkHzo
[0010]步骤b中试验时在传感器和试样之间涂有凡士林。
[0011]步骤c中岩石力学试验机为微机控制电液伺服岩石力学试验机。
[0012]步骤c中单轴压缩试验采用轴向等位移控制方式加载，先预加载至1.5KN，随后以
0.2mm/min的速率加载至破坏。
[0013]传感器设置在试样的两个相对面上。
【附图说明】
[0014]图1为本发明提供的一种岩石单轴压缩条件下声发射主频提取方法的流程图。
[0015]图2为本发明中单轴压缩条件下声发射传感器的位置图。
[0016]图3为本发明中单轴压缩条件下实验现场图。
[0017]图4为本发明中某一声发射信号主频提取过程图中的原始声发射波形信号图。
[0018]图5为本发明中某一声发射信号主频提取过程图中的对波形信号进行快速傅里叶变换，获得该信号的二维频谱图。
[0019]图6为本发明中单轴压缩条件下花岗岩载荷、主频与时间的关系曲线图。
[0020]图7为本发明中单轴压缩条件下玄武岩载荷、主频与时间的关系曲线图。
[0021]图8为本发明中单轴压缩条件下煤矸石载荷、主频与时间的关系曲线图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
[0023]如图1所示，一种岩石单轴压缩条件下声发射主频提取方法，依次按如下步骤进行:
步骤a:将需要测试的岩石制备成标准长方体试样。
[0024]选用花岗岩、玄武岩和煤矸石分别为1、2、3号为试验样品，花岗岩、玄武岩和煤矸石分别取自山东莱州、内蒙古赤峰和河北唐山某矿区，制备成50mmX50mmX 100mm的标准长方体试样若干并编号。
[0025]步骤b:如图2所示，放置试样，固定声发射传感器。
[0026]将试件安装在压力机的试样台1上，在该试样2中部安装2个声发射传感器3，两个声发射传感器置于试样2的两个相对面上，如图中所示为左、右两个相对面。
[0027]试验时在声发射传感器3和试样之间涂上凡士林4，增强二者耦合性，减少声发射信号的衰减。
[0028]声发射传感器3与声发射仪5线路连接，声发射仪5与声发射检测系6统连接。试样台1通过线路与控制柜7连接。
[0029]步骤c:如图3所示。采用压力机对试件进行单轴加载，采集岩石试样破裂全过程的声发射信号。
[0030]试验中采用的加载系统为长春朝阳试验仪器有限公司生产TAW - 3000伺服岩石力学试验机，单轴加载采用轴向等位移控制方式加载，为保证试样与加载面完全接触，避免接触时所产生的接触噪声影响声发射监测结果，先预加载至1.5KN，随后以0.2mm/min的速率加载至破坏。试验过程中采用声发射监测系统实时同步监测试样的破裂过程，声发射监测为美国物理声学公司PAC生产的PC1- 2型多通道声发射监测系统。
[0031]步骤d:基于matlab平台，所编制的声发射频谱分析系统，提取声发射信号的主频。以3号煤矸石试样声发射第5408号波形为例，来说明声发射信号主频提取过程。基于matlab平台，编制声发射频谱分析系统，提取原始声发射波形信号，如图4所示。对波形信号进行快速傅里叶变换(FFT)，获得二维频谱图，如图5所示。定义主频为二维频谱图中最大幅值所对应的频率。观察此波形二维频谱图，可知其主频为37.llkHzo
[0032]步骤e:如图6、图7和图8所示，对岩石破坏过程所有声发射信号进行快速傅里叶变换，绘制岩石试样整个破坏过程载荷、主频与时间曲线。
[0033]根据步骤d所得结果，选择试样从加载到破坏整个过程的全部声发射波形信号，对所有波形进行快速傅里叶变换，获得不同时刻的主频信息，绘制载荷、主频与时间的关系曲线，利用主频对岩石单轴压缩损伤特性进行描述。
[0034]本实施例在于提出利用快速傅里叶变换方法获取声发射信号主频，进一步揭示岩石灾变过程声发射频域变化特征，为从频谱角度分析岩石灾变过程提供了一条新的思路。
【主权项】
1.一种岩石在单轴压缩条件下声发射主频提取方法，其特征在于，按如下步骤进行: a、将岩石制备成长方体试样； b、将声发射传感器贴在制备好的长方体试样上； c、利用岩石力学试验机对试样施加载荷，利用声发射传感器接收试样内部损伤产生的声发射信号，试验过程中采用声发射监测系统实时同步监测试样的破裂过程； d、利用声发射频谱分析系统，对步骤c中接收到声发射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的主频； e、收集试样从加载到破坏整个过程的全部声发射波形信号，对所有波形进行傅里叶变换变换，获得不同时刻的主频信息，绘制载荷、主频与时间的关系曲线，利用主频对岩石单轴压缩损伤特性进行描述。2.根据权利要求1所述的岩石在单轴压缩条件下声发射主频提取方法，其特征在于，步骤a中岩石选用花岗岩、玄武岩或煤矸石。3.根据权利要求1所述的岩石在单轴压缩条件下声发射主频提取方法，其特征在于，步骤a中试样尺寸为50mmX 50mmX 100mm的长方体，试样两端面不平整度误差小于0.05mm,沿高度两对边长度误差小于0.3mm。4.根据权利要求1所述的岩石在单轴压缩条件下声发射主频提取方法，其特征在于，步骤b中声发射传感器为R6 α型谐振式高灵敏度传感器，其工作频率为35?100kHz。5.根据权利要求1所述的岩石在单轴压缩条件下声发射主频提取方法，其特征在于， 步骤b中试验时在传感器和试样之间涂有凡士林。6.根据权利要求1所述的岩石在单轴压缩条件下声发射主频提取方法，其特征在于，步骤c中岩石力学试验机为微机控制电液伺服岩石力学试验机。7.根据权利要求1所述的岩石在单轴压缩条件下声发射主频提取方法，其特征在于，步骤c中单轴压缩试验采用轴向等位移控制方式加载，先预加载至1.5kN，随后以0.2mm/min的速率加载至破坏。8.根据权利要求5所述的岩石在单轴压缩条件下声发射主频提取方法，其特征在于，传感器设置在试样的两个相对面上。
【专利摘要】本发明属于声发射探测领域，涉及一种岩石在单轴压缩条件下声发射主频的提取方法。将岩石制备成长方体试样；将声发射传感器贴在制备好的长方体试样上；利用岩石力学试验机对试样施加载荷，利用声发射传感器接收试样内部损伤产生的声发射信号，试验过程中采用声发射监测系统实时同步监测试样的破裂过程；对步骤接收到声发射信号进行快速傅里叶变换，获得二维频谱图；收集试样从加载到破坏整个过程的全部声发射波形信号，对所有波形进行傅里叶变换，获得不同时刻的主频信息，绘制载荷、主频与时间的关系曲线。本发明利用快速傅里叶变换提取声发射信号的主频，简单高效，易于推广；能够获取岩石灾变过程全方位的主频信息。
【IPC分类】G01N29/14, G01N29/46
【公开号】CN105403623
【申请号】CN201510741248
【发明人】张艳博, 梁鹏, 孙林, 田宝柱, 姚旭龙, 刘祥鑫
【申请人】华北理工大学
【公开日】2016年3月16日
【申请日】2015年11月4日