一种基于声音信号波形变化特征的应变型岩爆预警方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于声音信号波形变化特征的应变型岩爆预警方法，具体地说， 涉及将岩爆孕育过程所发出人耳可识别的声音信号的波形特征变化作为岩爆发生的前兆 信息，属于岩土工程灾害预警和防治领域。
【背景技术】
[0002] 随着我国经济的快速发展，国家对水电、能源、交通的需求越来越大，地下工程建 设量越来越多，且逐步向深部拓展，岩爆问题日益突出。岩爆一般是坚硬岩石在高地应力状 态下地下工程岩体开挖卸荷引起的围岩动力破坏现象，其中应变型岩爆是指在高地应力地 区，由于开挖卸荷形成临空面，围岩切向应力逐渐增大，当切向应力超过围岩承载能力后， 发生岩体剥离、崩出甚至弹射破裂等现象。岩爆地质灾害的发生直接威胁着施工人员和设 备的安全，严重影响工程进度，增加工程的投资，给工程带来灾难性后果。当前，由于岩爆发 生机制高度复杂，岩爆的预警与预测技术尚不能完全满足工程实践要求，岩爆预警与预测 是世界性的难题。
[0003] 在岩爆预警领域中，国内外专家、学者做了大量的研究工作，已经从强度、刚度、能 量、断裂、损伤、扩容、突变、分形、微重力和声发射等方面对岩爆现象进行了分析，提出了各 种各样的理论判据和预警方法。然而，岩爆的发生机制十分复杂，影响因素众多，岩爆影响 因素与岩爆发生之间呈现高度复杂的非线性关系。因此，在岩爆机理不明朗的条件下，采用 力学分析、数值计算、物理试验等方法来预警岩爆遇到了极大的困难，预警效果难以满足工 程实践需求。目前，在岩爆预警研究方面，基于声发射与微震技术的岩爆预警中占有重要地 位，受到人们的广泛关注。在岩爆预警领域，微震监测设备一般多用于监测低于10Hz的低频 声信号，声发射监测设备多用于监测高于l〇 4Hz的高频声信号，而人耳所能听到的声音信号 (20Hz~20000Hz)在研究应用中却被人们所忽略。再者，微震和声发射都属于接触式的监测 手段，信号强度随声源距离的增加迅速衰减，为了保证监测数据的准确性，其传感器往往布 置在靠近岩爆区域的围岩上，易造成传感器等设备损坏，在安装时也存在一定的安全隐患。 此外，用于岩爆预警的微震设备和声发射设备还存在价格昂贵、使用人员技术要求高等问 题。
[0004]工程实践表明，岩爆破坏过程中总会伴随着一些声音信号的出现，人们把声音作 为岩爆等级划分的一个重要依据。我国现行的多个工程地质勘察规范均将人对岩爆声音的 主观感受作为岩爆等级判别依据。实际上，与声发射、微震信息一样，声音是贯穿于岩爆过 程的客观存在的物理信息，岩爆的孕育与发生的过程中伴随着不同特征的声音信号，声音 信号能够在空气中远距离传播，十分便于接收与采集。鉴于声音信号是一种能够间接反映 岩爆过程的有效信息，本发明提出一种基于声音信号波形变化特征的应变型岩爆预警方 法:利用声音信号监测系统对岩爆孕育过程中的声音信号进行全程记录，将声音信号的波 形以及幅值时间分形变化特征作为岩爆发生的前兆信息。本发明对深部地下工程开挖施工 中岩爆灾害的预警具有一定的指导意义。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于，针对岩爆现象的巨大危害性以及现有的基于声发射和微震技 术的预警方法上的缺陷，提出一种基于声音信号波形变化特征的应变型岩爆预警方法，使 得操作简便安全，更使岩爆预警方法更完善，岩爆预警更准确。
[0006] 本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
[0007] -种基于声音信号波形变化特征的应变型岩爆预警方法，包括以下步骤：
[0008] (1)利用声音信号采集设备实时采集应变型岩爆破坏过程中的声音信号，利用声 音信号传输系统将采集到的声音信号传输给声音信号处理系统，声音信号处理系统对采集 到的声音信号进行实时记录和分析；
[0009] (2)声音信号处理系统先对采集到的声音信号进行降噪处理去除环境噪声的影 响，再实时绘制降噪后的声音信号波形图；
[0010] (3)分析降噪后的声音信号波形图，将降噪后的声音信号波形图中出现的如下特 征作为岩爆发生的主要前兆信息：声音信号幅值在一段较长时间的小幅值波动后，突然出 现一小段时间的高幅值声音信号，且随后出现持续的低幅值声音信号的"相对平静期"；
[0011] (4)对降噪后的声音信号进行等效化处理，绘制等效化幅值随时间变化曲线图，再 进行声音信号波形的幅值的时间分形，绘制时间分形维数马,值随时间变化曲线，将时间分 形维数贫，值随时间变化曲线出现的如下特征作为岩爆发生的又一前兆信息："时间分形维 数值持续增加到较大值后，一段时间内持续下降并逼近历史最低值"；
[0012] (5)当声音信号出现明显的如(3)与（5)所述的岩爆前兆信息时，则预示着该处有 极大可能会发生应变型岩爆灾害，声音信号处理系统将会在服务器终端以发出高分贝声音 或变化屏幕图形的形式进行报警。
[0013] 所述声音信号为人耳能听到的声音信号，其频率范围为20~20000Hz。
[0014] 步骤(1)中，声音信号采集设备为传声器、数字录音笔或其他具有实时声音信号采 集功能的设备。
[0015] 步骤(1)中，声音信号传输系统包括有线或无线传输设备。
[0016] 步骤(3)中，降噪后的声音信号波形图的绘制方法如下：
[0017] 将降噪处理后的声音信号转存为"Windows PCM(* .wav)"的音频文件，随后运行服 务器安装的数学软件Matlab，通过调用命令[y，fs,nbits]=wavread( 'file name'）读取降 噪后的声音信号，并利用Matlab的M文件绘制出降噪后的声音信号波形图。
[0018] 步骤(3)中，等效化幅值随时间变化曲线图的绘制方法如下：
[0019] 将声音信号波形图转成声音信号数字采样点数据，当声音信号处理系统第一次识 别到幅值大于〇. 5的采样点时，依次读取采样点中幅值大于0的点，随后每100个采样点为一 组，取每组的幅值平均值，并将幅值平均值视为每组采样点所在的时间段内的等效化幅值， 绘制等效化幅值随时间变化曲线图。
[0020] 时间分形维数Α直随时间变化曲线的绘制方法如下：
[0021] 根据幅值的变化相似性，将等效化幅值随时间变化曲线划分为m个大时间段，1\为 第i个大时间段的时长，i = l，2, ···，!!!，再将各个大时间段分别平均划分为η个小时间段， 为第i个大时间段下前j个小时间段的时长之和，j = l，2，···，n，根据几何分形学原理和相关 声发射的分形计算理论，按式（1)分别求出第i个大时间段下的前j个小时间段对应的声音 信号幅值随时间分布的相关积分C(tij)，
[0022]
(1)
[0023] 式中:M(tu)为第i个大时间段下的前j个小时间段内的幅值之和，j = l + 为第i个大时间段内的幅值总和，i = l，2,…，m，
[0024] 为确保声音信号幅值对时间存在明确的分形结构，声音信号幅值随时间分布的相 关积分C(t^)的对数值lgC(t^)和小时间段时长的对数值lgt孺要保持良好的线性关系， 否则重新选取时间段，通过调整大时间段的划分，确保所有的声音信号幅值随时间分布的 相关积分C(tij)的对数值lgC(tij)和小时间段时长的对数值lgti存在线性关系后，由式(2) 分别求出第i个大时间段的时间分形维数值A，?=/二…，W，并绘制时间分形维数A,.值随 时间变化曲线，
[0025]
(2)。
[0026] 与现有技术相比较，本发明具备的有益效果：
[0027] 1、本发明属于非接触式监测手段，具有安装操作安全、信号可靠稳定的优点。常用 的基于声发射或微震设备的岩爆信号采集属于接触式信号监测手段，信号采集探头必须