CN110297040A - 一种基于声发射上升波段采集参数的声发射类型判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于声发射上升波段采集参数的声发射类型判断方法，包括采集获得若干个声发射波，计算各个声发射波上升阶段频率和反梯度，再计算声发射类型参数，将该参数与声发射类型特征阈值进行比较，根据比较结果直接对声发射类型进行划分。采用本发明的技术方案，通过设立简单的声发射类型参数，根据声发射类型参数量化数值的大小对相应的声发射类型进行划分，简化了声发射类型划分方法，便于进行计算和分析，为正确分析和预测固定材料的受损程度和受破坏趋势奠定了基础，本发明具有操作简单，所需投入使用的硬件设备较少的特点，大大提高了测试效率，降低了测试成本。

Description

一种基于声发射上升波段采集参数的声发射类型判断方法

技术领域

本发明涉及声发射技术领域，特别是指一种基于声发射上升波段采集参数的声发射类型判断方法。

背景技术

声发射是固体内部受到外力作用时内部破坏发出的超声波，用于固体内部破坏的动态监测和固体最终破坏失效的预警，这种技术可以广泛应用于各种岩石破坏相关的地质灾害监测及预警，也广泛应用于桥梁和金属压力容器等的疲劳损伤监测评价。在利用声发射进行固体内部破坏的动态监测和固体最终破坏失效的预警时，如果对声发射波的类型进行合理的分类，就可根据声发射的类型对固体材料的损伤程度和受破坏危险性作出正确的预测。现有的声发射类型的划分一般都需要利用到声发射最初到达时的振幅，这个振幅称为初动，振幅的方向称为初动极性，一种方法通过四个以上空间分布的探头采集到的声发射初动振幅大小，进行矩张量反演运算，根据反演结果和实验情况判定声发射类型，另一种方法是通过统计空间分布的4个以上通道声发射初动极性，根据统计值判定声发射类型。两种方法都存在以下缺陷：1)都要求具有空间分布的4个以上的声发射探头，否则就失去了理论计算基础；2)都极大地受声发射初动识别的影响，初动识别又因受噪声、探头采集性能等因素的影响存在极大困难，从而影响最终声发射类型判断的准确性。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于声发射上升波段采集参数的声发射类型判断方法。

本发明通过以下技术方案得以实现。

本发明提供了一种基于声发射上升波段采集参数的声发射类型判断方法，包括以下步骤：

步骤一：在不同的采集时间以内，通过声发射采集系统来自于同一固体材料内部的多个声发射波，所述声发射波由若干个连续的波峰组成，每个波峰具有相对应的波峰振幅，选取其中出现频次最多的波峰振幅值作为门槛值，定义所有波峰振幅中的最大值为最大振幅Amax，定义声发射波中出现第一个波峰振幅大于门槛值的时刻为初始时刻，定义声发射波中出现波峰振幅达到最大振幅Amax的时刻为峰值时刻，所述峰值时刻与初始时刻之差定义为上升时间RT；定义在该上升时间RT以内出现的波峰数量为波峰数PC；定义波峰数PC与上升时间RT之比为上升段频率IF，即

定义上升时间RT与最大振幅Amax之比为反梯度RA，即：

步骤二：通过以下关系式计算每个声发射波所对应的声发射类型参数RP：

步骤三：设定声发射类型特征阈值为实数N，将步骤二中所述声发射类型参数RP与所述声发射类型特征阈值N进行比较，当RP＜N时，将该声发射波归类为剪切型声发射，当RP＞N时，将该声发射波归类为拉张型声发射。

步骤三中所述声发射类型特征阈值N取值为5000。

所述基于声发射上升波段采集参数的声发射类型判断方法还包括以下步骤：

步骤1：分别计算每个声发射波所对应的上升段频率IF和反梯度RA；

步骤2：对所有上升段频率IF进行比较，获得其中的最大值为IF_max，对所有反梯度RA进行比较，获得其中的最大值为RA_max；

步骤3：通过以下关系式计算声发射波归一化类型参数RPN：

步骤4：当步骤3中所述声发射波归一化类型参数RPN小于1时，则其所对应的声发射波归类为剪切型声发射，当步骤3中所述声发射波归一化类型参数RPN大于1时，则其所对应的声发射波归类为拉张型声发射。

所述基于声发射上升波段采集参数的声发射类型判断方法还包括以下步骤：

当步骤3中所述声发射波归一化类型参数RPN满足以下关系式时，则其所对应的声发射波归类为混合型声发射：

0.8≤RPN≤1.2。

所述基于声发射上升波段采集参数的声发射类型判断方法还包括以下步骤：

步骤1：在完成步骤一之后，以所述反梯度RA为横坐标，以上升段频率IF为纵坐标建立直角坐标系，在该直角坐标系第一象限以内绘制两条起点为该直角坐标系原点的特征射线A和特征射线B；

步骤2：分别计算每个声发射波所对应的上升段频率IF和反梯度RA，以每个声发射波所对应的上升段频率IF为纵坐标值，以每个声发射波所对应的反梯度RA为横坐标值，在步骤1中所述直角坐标系以内绘制出相应的特征点；

步骤3：当步骤2中所述特征点位于该直角坐标系横坐标轴与特征射线B之间时，将该特征点所对应的声发射波归类为剪切型声发射波，当步骤2中所述特征点位于该直角坐标系纵坐标轴与特征射线A之间时，将该特征点所对应的声发射波归类为拉张型声发射，当步骤2中所述特征点位于该直角坐标系特征射线A与特征射线B之间时，将该特征点所对应的声发射波归类为混合型声发射。

所述特征射线A的斜率为1.2，所述特征射线B的斜率为0.8。

所述基于声发射上升波段采集参数的声发射类型判断方法还包括以下步骤：

根据对声发射类型的分类结果，当声发射类型为剪切型时，其所对应的固体材料将会受剪切破坏，当声发射类型为拉张型时，其所对应的固体材料将会受拉张破坏。

本发明的有益效果在于：采用本发明的技术方案，通过设立简单的声发射类型参数，根据声发射类型参数量化数值的大小对相应的声发射类型进行划分，简化了声发射类型划分方法，便于进行计算和分析，使普通技术人员容易掌握，并且容易根据声发射波的类型对固体材料的受损程度和受破坏趋势作出正确的分析和预测。本发明提供的声发射类型判断方法，操作简单，所需投入使用的硬件设备较少，大大提高了测试效率，降低了测试成本。

附图说明

图1是固体材料声发射波波形及其各项参数示意图；

图2是本发明声发射类型判断方法的流程图；

图3是本发明利用直角坐标系对声发射类型进行判断的方法示意图；

图4是本发明实施例1中的声发射类型参数随时间的分布图；

图5是本发明实施例1所获得的拉张型声发射与剪切型声发射的关系图。

具体实施方式

下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

如图1所示，本发明涉及到的声发射类型判断方法，来源于声发射波形信号的参数采集，常见的声发射波波形如图1所示，声发射波各项参数有：最大幅值、门槛值、峰值计数、上升时间、峰值计数、初始频率，其中：

(1)最大振幅Amax：它是指波形振动时质点偏移至静止时位置的最大位移，单位dB。

(2)门槛值：它由人为设定，声发射波由若干个连续的波峰组成，每个波峰具有相对应的波峰振幅，选取其中出现频次最多的波峰振幅值作为门槛值。

(3)上升时间RT：它是指声发射波形由超过第一个门槛值至波形振幅达到最大值的时间间隔，单位μs。

(4)峰值计数(PC)：它指在设定的门槛值下，在上升时间持续段内的信号振荡次数计数，单位次；

(5)初始频率IF：是指上升段的频率，即PC/RT，单位kHz。

如图2所示，本发明提供了一种基于声发射上升波段采集参数的声发射类型判断方法，包括以下步骤：

步骤一：在不同的采集时间以内，通过声发射采集系统来自于同一固体材料内部的多个声发射波，声发射波由若干个连续的波峰组成，每个波峰具有相对应的波峰振幅，选取其中出现频次最多的波峰振幅值作为门槛值，定义所有波峰振幅中的最大值为最大振幅Amax，定义声发射波中出现第一个波峰振幅大于门槛值的时刻为初始时刻，定义声发射波中出现波峰振幅达到最大振幅Amax的时刻为峰值时刻，峰值时刻与初始时刻之差定义为上升时间RT；定义在该上升时间RT以内出现的波峰数量为波峰数PC；定义波峰数PC与上升时间RT之比为上升段频率IF，即

定义上升时间RT与最大振幅Amax之比为反梯度RA，即：

步骤二：通过以下关系式计算每个声发射波所对应的声发射类型参数RP：

步骤三：设定声发射类型特征阈值为实数N，将步骤二中声发射类型参数RP与声发射类型特征阈值N进行比较，当RP＜N时，将该声发射波归类为剪切型声发射，当RP＞N时，将该声发射波归类为拉张型声发射。优选步骤三中声发射类型特征阈值N取值为5000。

进一步地，基于声发射上升波段采集参数的声发射类型判断方法还包括以下步骤：

步骤1：分别计算每个声发射波所对应的上升段频率IF和反梯度RA；

步骤2：对所有上升段频率IF进行比较，获得其中的最大值为IF_max，对所有反梯度RA进行比较，获得其中的最大值为RA_max；

步骤3：通过以下关系式计算声发射波归一化类型参数RPN：

步骤4：当步骤3中声发射波归一化类型参数RPN小于1时，则其所对应的声发射波归类为剪切型声发射，当步骤3中声发射波归一化类型参数RPN大于1时，则其所对应的声发射波归类为拉张型声发射。此外，当步骤3中声发射波归一化类型参数RPN满足以下关系式时，则其所对应的声发射波归类为混合型声发射：

0.8≤RPN≤1.2。

此外，基于声发射上升波段采集参数的声发射类型判断方法还包括以下步骤：

步骤1：在完成步骤一之后，以反梯度RA为横坐标，以上升段频率IF为纵坐标建立直角坐标系，在该直角坐标系第一象限以内绘制两条起点为该直角坐标系原点的特征射线A和特征射线B；优选特征射线A的斜率为1.2，特征射线B的斜率为0.8。

步骤2：分别计算每个声发射波所对应的上升段频率IF和反梯度RA，以每个声发射波所对应的上升段频率IF为纵坐标值，以每个声发射波所对应的反梯度RA为横坐标值，在步骤1中直角坐标系以内绘制出相应的特征点；

步骤3：当步骤2中特征点位于该直角坐标系横坐标轴与特征射线B之间时，将该特征点所对应的声发射波归类为剪切型声发射波，当步骤2中特征点位于该直角坐标系纵坐标轴与特征射线A之间时，将该特征点所对应的声发射波归类为拉张型声发射，当步骤2中特征点位于该直角坐标系特征射线A与特征射线B之间时，将该特征点所对应的声发射波归类为混合型声发射。

另外，基于声发射上升波段采集参数的声发射类型判断方法还包括以下步骤：

根据对声发射类型的分类结果，当声发射类型为剪切型时，其所对应的固体材料将会受剪切破坏，当声发射类型为拉张型时，其所对应的固体材料将会受拉张破坏。

采用本发明的技术方案，通过设立简单的声发射类型参数，根据声发射类型参数量化数值的大小对相应的声发射类型进行划分，简化了声发射类型划分方法，便于进行计算和分析，使普通技术人员容易掌握，并且容易根据声发射波的类型对固体材料的受损程度和受破坏趋势作出正确的分析和预测。本发明提供的声发射类型判断方法，操作简单，所需投入使用的硬件设备较少，大大提高了测试效率，降低了测试成本。

实施例1：

在本发明实施例1中，利用声发射参数计算的RA＝RT/Amax作为横坐标轴，初始频率IF＝PC/RT作为纵坐标轴，则AE的散点分布图与损伤区域的应力状态有很好的对应关系如图3所示，即如果靠近RA坐标的AE点多，表明对固体材料的加载方式是剪切的，如果靠近IF的AE点多，则对固体材料的加载方式是拉张的。本发明中，通过设置声发射波上升段声发射类型指标RP，令RP＝IF/RA＝IF×Amax/RT，则可直接根据RP值大小，对声发射波的类型进行直接划分，即RP<5000时，声发射类型为剪切型，RP>5000时，声发射类型为拉张型。为了使AE类型的判断更为明确，可以对IF与RA分别进行归一化处理。归一化处理步骤为，在所有监测到的数据中找出PC或RA的最大值PCmax和RAmax，将每个点的IF值或RA值除以最大值，再计算RP，即RPN＝(IF/IFmax)/(RA/RAmax)，若RPN大于1，则声发射类型为拉张型，RPN<1则声发射类型为剪切型。在现场监测时，需要预先在实验室通过单轴压缩声发射实验取得同类材料的最大IF和RA，然后再在动态监测时进行归一化，如果无实验数据，也可以直接计算。因此，RP可作为一个简单判断声发射类型的指标。

上升段参数声发射类型指标的使用分为两种情况：

(1)有实验对监测对象取得IF和RA最大值时，监测时进行归一化计算得到RPN，对声发射类型进行动态判别；

(2)无实验数据时，可以在现场监测时，直接使用RP，监测一段时间后，可以对所监测取得的数据进行归一化处理，得到RPN，再对监测对象的状态进行判断。

采用本发明提供的上升段参数声发射类型指标对声发射类型进行判断的特点：

(1)在对声发射类型进行判断时，只需要一个通道的声发射监测数据即可进行判断，上升段波形数据的使用可以很好地压制波形后段的噪声；

(2)当存在多个通道时，先进行各通道的波形上升段比较，以波形上升段相似、频谱一致的通道数据进行声发射类型判断，结果更为可靠；

(3)上升段参数声发射类型指标与全段参数声发射指标的最大差别，在于上升段参数声发射类型指标在形式上具有明确的物理意义，RP＝IF/RA＝IF×Amax/RT，其分母是上升段频率与最大振幅的乘积，这个值具有能量的内涵，它除以上升时间，形式上具有功率的内涵，因此也可以称为上升功率，仍以代号“RP”表示，上升功率可以从理论上定量地以岩石的细观破坏过程联系起来。

上升段参数声发射类型指标的应用：

(1)对受载对象进行动态监测，通过拉张型声发射与剪切型声发射的百分比和数量状态，判断其加载所处的阶段及未来发展趋势。申请人在岩石单轴压缩的声发射监测实验中，将总时间平分为100个时间段，在每个时间节点向前统计大于零的RP值，得到RP值随时间的分布如图4所示，加载初期的声发射类型平均值RP比较离散，如图示OA段；随荷载的持续增加，RP值的离散程度逐渐减小，并且整体呈下降趋势，如图4所示AS段；RP值在SP段持续快速下降，到达峰值点P时下降到最低，这是岩石发生破坏的前兆，但这个最低值的确定需要参照PC段略有上升并且稳定的RP值；岩石持续破坏发生在CD段，这时RP值保持稳定的低值；残余应力段DE段的RP值略有上升，这表明残余应力段岩石的破坏有较强的拉张裂纹产生。

(2)对固体材料受载对象进行动态监测，根据声发射拉张型声发射与剪切型声发射总量的比值，可以判断材料破坏的方式。申请人对岩石进行单轴压缩和低围压下不同加载速率的声发射实验，统计了岩石的屈服强度和各岩样总的拉张型声发射与剪切型声发射的比值，发现两者之间有如图5所示的关系。图5表明，同一种岩石的剪切程度越高，即AILP指数大，岩石的屈服强度越大，根据监测到的声发射AILP指数，可以预测岩石的强度。

Claims (7)

1.一种基于声发射上升波段采集参数的声发射类型判断方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：在不同的采集时间以内，通过声发射采集系统来自于同一固体材料内部的多个声发射波，所述声发射波由若干个连续的波峰组成，每个波峰具有相对应的波峰振幅，选取其中出现频次最多的波峰振幅值作为门槛值，定义所有波峰振幅中的最大值为最大振幅Amax，定义声发射波中出现第一个波峰振幅大于门槛值的时刻为初始时刻，定义声发射波中出现波峰振幅达到最大振幅Amax的时刻为峰值时刻，所述峰值时刻与初始时刻之差定义为上升时间RT；定义在该上升时间RT以内出现的波峰数量为波峰数PC；定义波峰数PC与上升时间RT之比为上升段频率IF，即

定义上升时间RT与最大振幅Amax之比为反梯度RA，即：

步骤二：通过以下关系式计算每个声发射波所对应的声发射类型参数RP：

步骤三：设定声发射类型特征阈值为实数N，将步骤二中所述声发射类型参数RP与所述声发射类型特征阈值N进行比较，当RP＜N时，将该声发射波归类为剪切型声发射，当RP＞N时，将该声发射波归类为拉张型声发射。

2.如权利要求1所述基于声发射上升波段采集参数的声发射类型判断方法，其特征在于：步骤三中所述声发射类型特征阈值N取值为5000。

3.如权利要求1所述基于声发射上升波段采集参数的声发射类型判断方法，其特征在于：所述基于声发射上升波段采集参数的声发射类型判断方法还包括以下步骤：

步骤1：分别计算每个声发射波所对应的上升段频率IF和反梯度RA；

步骤2：对所有上升段频率IF进行比较，获得其中的最大值为IF_max，对所有反梯度RA进行比较，获得其中的最大值为RA_max；

步骤3：通过以下关系式计算声发射波归一化类型参数RPN：

步骤4：当步骤3中所述声发射波归一化类型参数RPN小于1时，则其所对应的声发射波归类为剪切型声发射，当步骤3中所述声发射波归一化类型参数RPN大于1时，则其所对应的声发射波归类为拉张型声发射。

4.如权利要求3所述基于声发射上升波段采集参数的声发射类型判断方法，其特征在于：所述基于声发射上升波段采集参数的声发射类型判断方法还包括以下步骤：

当步骤3中所述声发射波归一化类型参数RPN满足以下关系式时，则其所对应的声发射波归类为混合型声发射：

0.8≤RPN≤1.2。

5.如权利要求1所述基于声发射上升波段采集参数的声发射类型判断方法，其特征在于：所述基于声发射上升波段采集参数的声发射类型判断方法还包括以下步骤：

步骤1：在完成步骤一之后，以所述反梯度RA为横坐标，以上升段频率IF为纵坐标建立直角坐标系，在该直角坐标系第一象限以内绘制两条起点为该直角坐标系原点的特征射线A和特征射线B；

步骤2：分别计算每个声发射波所对应的上升段频率IF和反梯度RA，以每个声发射波所对应的上升段频率IF为纵坐标值，以每个声发射波所对应的反梯度RA为横坐标值，在步骤1中所述直角坐标系以内绘制出相应的特征点；

步骤3：当步骤2中所述特征点位于该直角坐标系横坐标轴与特征射线B之间时，将该特征点所对应的声发射波归类为剪切型声发射波，当步骤2中所述特征点位于该直角坐标系纵坐标轴与特征射线A之间时，将该特征点所对应的声发射波归类为拉张型声发射，当步骤2中所述特征点位于该直角坐标系特征射线A与特征射线B之间时，将该特征点所对应的声发射波归类为混合型声发射。

6.如权利要求5所述基于声发射上升波段采集参数的声发射类型判断方法，其特征在于：所述特征射线A的斜率为1.2，所述特征射线B的斜率为0.8。

7.如权利要求1至6任一项所述基于声发射上升波段采集参数的声发射类型判断方法，其特征在于：所述基于声发射上升波段采集参数的声发射类型判断方法还包括以下步骤：

根据对声发射类型的分类结果，当声发射类型为剪切型时，其所对应的固体材料将会受剪切破坏，当声发射类型为拉张型时，其所对应的固体材料将会受拉张破坏。