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⑵
[0057] (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。
[0058] 本发明所述方案的原理来源:本发明所叙述的基于声音波形与分形特征的岩爆前 兆信息是由126个的室内真三轴应变型岩爆模拟试验和多个工程岩爆实例的科学总结得 到，具有扎实的科研基础和较高的可靠性，室内岩爆试验考虑了不同岩性或不同加载路径 或不同应力水平下的情形。
[0059] 典型的室内岩爆试验过程的声音信号波形变化特征分析如下：
[0060] 1)利用真三轴岩爆试验机(图1)进行室内应变型岩爆模拟（图2)，利用声音信号监 测系统、声音信号传输系统、声音信号处理系统全程监测、传输、处理应变型岩爆试验过程 中发出的声音信号（图3);
[0061] 2)用声音信号处理系统中的降噪功能对声音信号其进行降噪处理以去除环境噪 音（图4)，除噪法的原理是对噪音的波形样本进行取样，分析其频谱特征，然后对整段素材 的波形进行噪音样本加载，自动去除噪音；
[0062] 3)声音信号处理系统在对声音信号的波形进行降噪处理后，自动绘制全时域波形 图（图5)，若发现在岩爆发生前声音信号的波形图中"出现高幅值声音信号后持续出现较小 幅值的声音信号"这一特性，如图2中所示的"相对平静期"，则系统对该岩爆即将发生的前 兆信息进行识别并报警；
[0063] 4)当出现波形幅值大于0.5的声音信号时，声音信号处理系统自动选取降噪后的 声音信号幅值大于〇的点，并以1〇〇个点为一组，取其幅值平均值，另一方面，将岩爆时最大 幅值点对应的时间按组数平均分配，从而得到等效化处理过后声音信号幅值随时间的分布 情况；
[0064] 5)将等效化后的声音信号的幅值与时间放大1000倍；
[0065] 6)根据幅值变化的相似性，将等效化处理后的声音信号幅值变化过程划分为不同 的大时段，按式(1)分别求出不同时段内相对应的幅值对时间的相关积分对数值lgC(t^)与 时间对数值1 gtij的分布关系，如图4中所示，各时间段相关积分对数值和时间对数值具有良 好的线性关系，由此表明声音信号幅值随时间存在明确的分形结构。再由式(2)求出A值。
[0066] 7)比较各个时段的时间分形维数A,.值发现，在岩爆发生前，声音信号幅值对时间 的分形维数A,.值有"在持续增加到较大值后一段时间内持续下降至最低值"，声音信号处 理系统将对该岩爆即将发生的前兆信息进行识别并报警。
【主权项】
1. 一种基于声音信号波形变化特征的应变型岩爆预警方法，其特征在于，包括以下步 骤： (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； (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； (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"； (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，绘制时间分形维数值随时间变化曲线，将时间分形维 数％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 私,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"； (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。2. 根据权利要求1所述的应变型岩爆预警方法，其特征在于，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。3. 根据权利要求1所述的应变型岩爆预警方法，其特征在于，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。4. 根据权利要求1所述的应变型岩爆预警方法，其特征在于，步骤（1)中，声音信号传输 系统包括有线或无线传输设备。5. 根据权利要求1所述的应变型岩爆预警方法，其特征在于，步骤(3)中，降噪后的声音 信号波形图的绘制方法如下： 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181：1313，通过调用命令[5^8，1113；^8]='?^代3(1('；1^16仙1116'）读取降噪后 的声音信号，并利用Matlab的Μ文件绘制出降噪后的声音信号波形图。6. 根据权利要求1所述的应变型岩爆预警方法，其特征在于，步骤(3)中，等效化幅值随 时间变化曲线图的绘制方法如下： 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。7. 根据权利要求1所述的应变型岩爆预警方法，其特征在于，时间分形维数Α,.值随时间 变化曲线的绘制方法如下： 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，为第i个 大时间段的时长，i = l，2,…，m，再将各个大时间段分别平均划分为η个小时间段，如为第i 个大时间段下前j个小时间段的时长之和，j = l，2, ···，!!，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)，式中:M(t^)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，2,…，ni为第 i个大时间段内的幅值总和，i = l，2,…，m， 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lg C(t^)和小时间段时长的对数值lgt^需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(t^)的对数值lgC(t^)和小时间段时长的对数值lgt^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，1 = 1，2，一，!11，并绘制时间分形维数贫,值随时间 变化曲线，
【专利摘要】一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：采集应变型岩爆破坏过程中的声音信号并传输给声音信号处理系统，声音信号处理系统先进行降噪处理，再绘制并分析声音信号波形图，岩爆发生的主要前兆信息为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”；再绘制时间分形维数值随时间变化曲线，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”；最后以发出高分贝声音或变化屏幕图形的形式进行报警。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。
【IPC分类】G10L25/51, G01V1/00
【公开号】CN105676268
【申请号】CN201610027362
【发明人】苏国韶, 李燕芳, 石焱炯, 蒋剑青, 江权, 莫金海, 陈智勇
【申请人】广西大学
【公开日】2016年6月15日
【申请日】2016年1月15日