CN109115888A - 一种声发射探头类型的选择方法 - Google Patents

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张百胜
赵凯雷
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刘文博
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Abstract

本发明一种声发射探头类型的选择方法，属于岩石破坏监检预测的试验技术领域；提供了较为准确的声发射探头类型的选择方法；包括以下步骤：S1.把常见的煤岩种类依照其岩性和声发射信号频率进行划分，根据此划分作为标准对岩石试件选用探头的谐振频率进行预选；S2.岩石破坏实验中同时使用声发射系统中的第一声发射探头、第二声发射探头和第三声发射探头采集声发射信号波形，进行傅里叶变换，分析这三个声发射探头主频的分布范围，进而确定要选择的声发射探头的优势频段；S3.综合S1和S2的结果取其并集，确定岩石试件破坏过程中信号频率的分布范围，确定要选择的声发射探头的优势频段，从而选择合适的声发射探头或声发射探头组合。

Description

一种声发射探头类型的选择方法
技术领域
本发明一种声发射探头类型的选择方法，属于岩石破坏监检、预测的试验技术领域。
背景技术
岩石声发射（AE）是岩石材料受力过程中其内部原生裂纹和缺陷的扩展以及新裂纹破裂的孕育、萌生、演化、扩展和断裂过程所释放的弹性波。声发射技术可以实时的监测岩石材料的破坏过程，很多学者也利用声发射技术对岩石破坏的各个阶段进行了监测，取得了很好的成效。但与此同时，在实验过程中，AE结果呈现多样性，其与选用不同的探头类型、不同的设置参数有关。
同一岩性但不同尺寸的试件声发射主频也不一样，这与试件内部的裂纹尺寸有关。选用同一类型探头势必会导致AE信号接收的缺失或冗余，无法实现对优势频段信息的精确提取，进而无法精确用声发射参数表征岩石破坏过程。
现有的声发射研究中，选择宽频探头虽然可以捕捉到绝大多数频段的声发射信号，但由于其本身稳定性较差、敏感性低的特点，难以实现对AE信号的精确捕捉和提取。试件岩性、尺寸与AE探头类型不匹配，导致AE结果具有争议性。
发明内容
本发明一种声发射探头类型的选择方法，克服了现有技术存在的不足，提供了一种声发射探头的选择方法，便于准确采集不同岩性、不同尺寸岩石破坏过程中的声发射信号，实现声发射参数来全面认识岩石破坏变形的全过程。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种声发射探头类型的选择方法，包括以下步骤：
S1.把常见的煤岩种类依照其岩性和声发射信号频率进行划分，根据此划分作为标准对岩石试件选用探头的谐振频率进行预选；
S2.岩石破坏实验中同时使用声发射系统中的第一声发射探头、第二声发射探头和第三声发射探头采集声发射信号波形，进行傅里叶变换，分析这三个声发射探头主频的分布范围，进而确定要选择的声发射探头的优势频段；
其中，三个声发射探头的优势频段满足以下条件：第一声发射探头的优势频段大于第二或第三声发射探头的优势频段；第二声发射探头与第三声发射探头的优势频段不一致；
S3.综合S1和S2的结果取其并集，确定岩石试件破坏过程中信号频率的分布范围，确定要选择的声发射探头的优势频段，从而选择合适的声发射探头或声发射探头组合。
进一步，所述步骤S1中的标准为：混凝土材料结构的声发射信号频率为40kHz到100kHz；硬脆性岩石结构的声发射信号频率为80kHz到400kHz；软性岩石结构的声发射信号频率在20kHz到110kHz；
进一步，所述步骤S2中，声发射系统包括第一声发射系统和第二声发射系统，所述第一声发射探头、第二声发射探头和第三声发射探头的数量都为2个，所述第一声发射探头与第一声发射系统相连，所述第二声发射探头和第三声发射探头与第二声发射系统相连。
进一步，所述步骤S2包括以下步骤：
S20.将所述第一声发射系统的两个所述第一声发射探头、第二声发射系统的两个所述第二声发射探头和两个所述第三声发射探头固定在岩石试件的四周，使用电子万能试验机对岩石试件进行加载，声发射系统同时采集声波，直至岩石试件破坏后同时停止采集声波数据；
S21.分别对所述第一声发射探头、所述第二声发射探头和所述第三声发射探头采集到的声发射主频数据进行傅里叶变换，统计其主频的分布范围，确定要选择的声发射探头的优势频段；
进一步，所述第一声发射探头的优势频段为20-1000kHz，所述第二声发射探头的优势频段为35-100kHz，所述第三声发射探头的优势频段为125-750kHz。
进一步，所述岩石试件为长方体。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果。
本专利的发明提供了一种针对性的岩石声发射实验过程中选用探头的方法，该方法能够提供相对稳定可靠的声发射实验所用的探头选择标准，便于准确采集不同岩性、不同尺寸岩石破坏过程中的声发射信号，能够解决常规声发射实验中选择探头不合理导致的采集信号的缺失或冗余的问题，使声发射参数能表征或精确表征岩石破坏变形的全过程。
附图说明
图1为本发明方法实施例的流程图。
图2为本发明实施例中声发射探头的布置图。
图3为本发明实施例方法中S9208声发射探头的发射信号主频值统计图。
图4为本发明实施例方法中R6α声发射探头的发射信号主频值统计图。
图5为本发明实施例方法中NANO30声发射探头的发射信号主频值统计图。
图中，1- R6α声发射探头，2- NANO30声发射探头，3- S9208声发射探头，4-皮筋。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例做进一步的说明。
如图1、图2所示，本发明一种声发射探头类型的选择方法，包括以下步骤：
S1.把常见的煤岩种类依照其岩性和声发射信号频率进行划分，根据此划分作为标准对岩石试件选用探头的谐振频率进行预选；
划分标准为：混凝土材料结构的声发射信号频率为40kHz到100kHz；硬脆性岩石结构的声发射信号频率为80kHz到400kHz；软性岩石结构的声发射信号频率在20kHz到110kHz；
S20.将PCI-II型第一声发射系统的两个S9208声发射探头3、Disp型第二声发射系统的两个R6α声发射探头1和两个NANO30声发射探头2固定在岩石试件的四周，岩石试件为长方体，两个S9208声发射探头3使用皮筋4固定在长方体的对侧面上，并位于同一水平面，距离底面约1/4的高度上，两个R6α声发射探头1使用皮筋4固定在长方体的对侧面上，两个NANO30声发射探头2使用皮筋4固定在长方体的对侧面上，R6α声发射探头1、NANO30声发射探头2位于同一水平面；岩石试件两端及声发射探头与岩石试件接触部分涂抹耦合剂，减小摩擦所带来的影响。
使用WDW-100型电子万能试验机对岩石试件进行加载，声发射系统同时采集声波，直至岩石试件破坏后同时停止采集声波数据；本次试验岩石试件为混凝土材料结构；S9208声发射探头3与PCI-II型第一声发射系统相连，R6α声发射探头1和NANO30声发射探头2与Disp型第二声发射系统相连；S9208声发射探头3的谐振频率为45kHz，优势频段为20～1000kHz，R6α声发射探头1谐振频率为60kHz，优势频段为35～100kHz，NANO30声发射探头2谐振频率为140kHz，优势频段为125～750kHz；
S21.分别对S9208声发射探头3、R6α声发射探头1和NANO30声发射探头2采集到的声发射主频数据进行傅里叶变换，统计其主频的分布范围，确定要选择的声发射探头的优势频段为20～350kHz之间；
如图3所示，对于宽频S9208声发射探头3，主频分布明显较多的频段为50～300kHz；
如图4所示，对于R6α声发射探头1，主频分布较多的频段为20～220kHz；
如图5所示，对于NANO30声发射探头2，主频分布较多的频段为120～350kHz。
S3.综合S1和S2的结果取其并集，确定岩石试件破坏过程中信号频率的分布范围为20～350kHz之间，根据此频率范围确定要选择的声发射探头的优势频段要包含20～350kHz，从而选择合适的声发射探头或声发射探头组合，本次确定的探头组合为R3I（谐振频率为30kHz，优势频段为20～180kHz）和R30I（谐振频率为300kHz，优势频段为125～450kHz）。
尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (6)

1.一种声发射探头类型的选择方法，其特征在于包括以下步骤：
S1.把常见的煤岩种类依照其岩性和声发射信号频率进行划分，根据此划分作为标准对岩石试件选用探头的谐振频率进行预选；
S2.岩石破坏实验中同时使用声发射系统中的第一声发射探头、第二声发射探头和第三声发射探头采集声发射信号波形，进行傅里叶变换，分析这三个声发射探头主频的分布范围，进而确定要选择的声发射探头的优势频段；
其中，三个声发射探头的优势频段满足以下条件：第一声发射探头的优势频段大于第二或第三声发射探头的优势频段；第二声发射探头与第三声发射探头的优势频段不一致；
S3.综合S1和S2的结果取其并集，确定岩石试件破坏过程中信号频率的分布范围，确定要选择的声发射探头的优势频段，从而选择合适的声发射探头或声发射探头组合。
2.根据权利要求1所述的一种声发射探头类型的选择方法,其特征在于: 所述步骤S1中的标准为：混凝土材料结构的声发射信号频率为40kHz到100kHz；硬脆性岩石结构的声发射信号频率为80kHz到400kHz；软性岩石结构的声发射信号频率在20kHz到110kHz。
3.根据权利要求1所述的一种声发射探头类型的选择方法,其特征在于: 所述步骤S2中，声发射系统包括第一声发射系统和第二声发射系统，所述第一声发射探头、第二声发射探头和第三声发射探头的数量都为2个，所述第一声发射探头与第一声发射系统相连，所述第二声发射探头和第三声发射探头与第二声发射系统相连。
4.根据权利要求3所述的一种声发射探头类型的选择方法,其特征在于:所述步骤S2包括以下步骤：
S20.将所述第一声发射系统的两个所述第一声发射探头、第二声发射系统的两个所述第二声发射探头和两个所述第三声发射探头固定在岩石试件的四周，使用电子万能试验机对岩石试件进行加载，声发射系统同时采集声波，直至岩石试件破坏后同时停止采集声波数据；
S21.分别对所述第一声发射探头、所述第二声发射探头和所述第三声发射探头采集到的声发射主频数据进行傅里叶变换，统计其主频的分布范围，确定要选择的声发射探头的优势频段。
5.根据权利要求1所述的一种声发射探头类型的选择方法,其特征在于:所述第一声发射探头的优势频段为20-1000kHz，所述第二声发射探头的优势频段为35-100kHz，所述第三声发射探头的优势频段为125-750kHz。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种声发射探头类型的选择方法,其特征在于:所述岩石试件为长方体。
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