CN114062109B - 一种岩石破坏声发射次主频识别提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种岩石破坏声发射次主频识别提取方法。本发明制备不同地质成因的岩石的标准圆柱体试样并在侧表面沿周向均匀布置声发射传感器，进行单轴压缩实验，声发射传感器接收岩石试样开始加载至完全破坏全过程释放的原始声发射波形；对原始声发射波形依次去噪处理和快速傅里叶变换得到二维频谱图，模糊化处理得到模糊化二维频谱图；捕捉识别出具有次主频特征的声发射信号，提取该声发射信号的声发射主频和次主频；采集不同岩性试样从开始加载至完全破坏全过程的声发射信号得岩石损伤破坏各个时刻的声发射信号频域数据，对具有次主频特征的声发射信号，判断该声发射信号的类型，计算中心频率，结合试样破坏荷载‑时间曲线描述破坏模式。
Description
技术领域
本发明涉及一种岩石破坏声发射次主频识别提取方法，属于岩石破坏模式识别技术领域。
背景技术
岩石材料在荷载作用下发生的破坏，是一个复杂的渐进过程。在宏观破裂之前，试样内部就已出现多特征的微观破裂现象，破坏过程中至少存在张拉破裂、剪切滑移两种及两种以上的破坏机制。岩石内部发生不同的破坏模式时，会诱发相应弹性能的释放，产生不同特征的弹性波，形成被检测传感器接收到的声发射信号。声发射技术是利用岩石在负载时内部破裂损伤产生的瞬态弹性波信息，连续监测和测试材料在整个加载过程中的损伤进展，以此来研究岩石受力状态、破坏模式、物理力学性质和它们的组合特征等丰富的信息，是目前公认的可实时监测岩石灾变过程中微损伤事件孕育萌生、扩展、聚合的有效方法。
但现有的声发射技术对声发射信号的利用率不足，通常仅使用波形的简化特征参数或将研究对象集中在声发射主频演化特征及其频带占比关系上，对声发射本征频域的多样性和全局性考虑不足，易丢失重要信息，难以形成准确定量评价，难以实现有效岩石损伤机理分析。
发明内容
针对现有通过声发射频域信息分析岩石破坏模式方法的不足，提出了一种岩石破坏声发射次主频识别提取方法，可实现更为准确地岩石破坏模式判别，相比现有频域分析方法，不仅具有频域信息利用率高、运算速度快、结果精准度高等优点，还能输出单个指定位置波形的主频、次主频及其对应幅值等参数，也能输出试验全过程的声发射信号频域分析统计结果。
一种岩石破坏声发射次主频识别提取方法，具体步骤如下：
(1)将不同地质成因的岩石制备成标准圆柱体试样；
(2)在圆柱体试样侧表面沿周向均匀布置声发射传感器；
(3)采用岩石力学试验机对圆柱体试样进行单轴压缩实验，实验过程中声发射传感器接收岩石试样开始加载至完全破坏全过程释放的原始声发射波形；
(4)对原始声发射波形进行去噪处理，然后再进行快速傅里叶变换得到二维频谱图；
(5)对二维频谱图中的幅值、频率数据进行模糊化处理得到模糊化二维频谱图；
(6)捕捉识别出具有次主频特征的声发射信号，提取该声发射信号的声发射主频和次主频；
(7)采集不同岩性试样从开始加载至完全破坏全过程的声发射信号，获得岩石损伤破坏各个时刻的声发射信号频域数据，对具有次主频特征的声发射信号，根据其主频和次主频的分布特征，判断该声发射信号的类型，计算各类型信号的中心频率，结合试样破坏荷载-时间曲线描述岩石破坏全过程的破坏模式；
所述步骤(1)不同地质成因的岩石包括岩浆岩、沉积岩和变质岩，花岗岩作为岩浆岩试样，砂岩作为沉积岩试样，大理岩作为变质岩试样；
试样尺寸为直径φ50mm×高H100mm的标准圆柱体；试样两端面不平行度误差小于0.05mm；试样两端面垂直于轴线，偏差小于0.25°；试样直径沿高度误差小于0.3mm；
所述步骤(2)圆柱体试样侧表面的声发射传感器沿圆柱体试样轴向布置上下2层，上层声发射传感器与圆柱体试样顶端的距离为圆柱体试样高度的1/8～3/8，下层声发射传感器与圆柱体试样底端的距离为圆柱体试样高度的1/8～3/8；
优选的，声发射传感器布设数量为8个，上层声发射传感器和下层声发射传感器均为4个，上层声发射传感器与圆柱体试样顶端的距离为圆柱体试样高度的1/4，下层声发射传感器与圆柱体试样底端的距离为圆柱体试样高度的1/4；
所述步骤(3)单轴压缩实验的加载方式为轴向位移闭环控制：先对试样施加0.5kN荷载，待试样承压端与压力机充分接触后，同步岩石力学试验机与声发射信号采集系统的采样时间，以0.2mm/min的速率继续施加轴向荷载，直至试样发生完全破坏；声发射信号采集系统设置采样频率：1000kHz，采样长度：2048，门限：40dB，前放增益：40dB；
所述步骤(4)中去噪处理为小波阈值去噪法；
进一步的，小波阈值去噪法选用db3小波基，采用软阈值函数、rigrsure阈值规则。
所述步骤(4)快速傅里叶变换后的二维频谱信息为
S0＝[(f1,a1),(f2,a2),…,(fp,ap),…,(fn,an)]
式中：S0-频谱信息、f-奈奎斯特频率、a-幅值、p-峰点、n-频域数据总数；
所述步骤(5)模糊化处理的方法为
1)选取S0中幅值同时满足ap＞ap-1和ap＜ap+1(p≥2)条件的峰点(fp,ap)，按序存入S1，通过S1作图得到模糊化Ⅰ频谱图
式中：S1-模糊化Ⅰ频谱信息、fp-模糊化Ⅰ峰点频率、ap-模糊化Ⅰ峰点幅值、p-模糊化Ⅰ峰点、n-模糊化Ⅰ频域数据总数。
2)选取S1中幅值同时满足ap＞ap-1和ap＜ap+1(p≥2)条件的峰点(fp,ap)，按序存入S2，通过S2作图得到模糊化Ⅱ频谱图
式中：S2-模糊化Ⅱ频谱信息、fpp-模糊化Ⅱ峰点频率、app-模糊化Ⅱ峰点幅值、p-模糊化Ⅱ峰点、n-模糊化Ⅱ频域数据总数。
所述步骤(6)主频和次主频特征识别提取方法为
1)确定寻峰准则，即实现峰值与峰位的捕捉，查找模糊化Ⅱ频谱图中相互独立的峰点，将峰值及峰位点(fppp,appp)存入S3；
2)通过S3中数据绘制栅格化极值图，选取栅格化极值图中最高峰值对应的峰位与次高峰值对应的峰位，计算次高峰幅值与最高峰幅值的比值R
式中：asub-max-次高峰幅值、amax-最高峰幅值；
3)若R小于80％，则此信号记为不存在次主频特征的信号，不可用于判别岩石破坏模式；若R大于80％，则将栅格化极值图中最高峰幅值记为声发射信号主频幅值，最高峰幅值对应的频率为该信号主频；次高峰幅值为该信号次主频幅值，次高峰幅值对应的频率为该信号次主频；
所述声发射信号的类型和破坏模式的判断方法
1)对具有次主频特征的声发射信号，计算其主频、次主频值共同组成的频率区间；
2)利用频率分界线将频率区间平均分为两等份，分界线处的频率定义为界线频率；
3)将主频和次主频均不小于界线频率的信号视为H-H型即双高频信号，将主频和次主频均小于界线频率的信号视为L-L型即双低频信号，将主频大于界线频率且次主频小于界线频率的信号或主频小于界线频率且次主频大于界线频率的信号视为H-L型即混合频率信号；
4)双高频率信号对应剪切破坏，双低频率信号对应张拉破坏，混合频率信号对应张-剪复合破坏；
5)分别计算H-H型信号、L-L型信号和H-L型信号的中心频率，并根据各岩石试样的轴向应力-应变关系，将各试样加载全过程的损伤演化过程(试样破坏时间-荷载曲线)划分成3个阶段，依次为压密至弹性变形阶段(阶段Ⅰ)、微裂隙稳定发展阶段(阶段Ⅱ)、裂隙扩展至破坏阶段(阶段Ⅲ)，结合试样破坏荷载-时间曲线，描述岩石破坏全过程的破坏模式。
本发明的有益效果是：
(1)本发明的岩石破坏声发射次主频识别提取方法，相比现有频域分析方法，不仅具有运算速度快、结果精准度高、频域数据处理灵活等优点，还能输出单个指定时间、位置波形的声发射主频、声发射次主频及其对应幅值等参数，也能输出某个阶段或试验全过程的声发射信号频域分析统计结果；
(2)本发明可实现更为高效地岩石破坏声发射频域数据利用率，相比现有频域分析方法，充分考虑了二维频谱图中包含的多元信息，提高了声发射次主频识别的准确性，消除了人为主观判别的影响，并通过将声发射次主频与声发射主频相联合，共同应用于岩石在荷载作用下的破坏模式的描述，为岩石破坏模式定量评价提供了新的思路；
(3)本发明可实现更为准确地岩石破坏模式判别，适用范围宽，可适用于不同地质成因、不同种类的岩石在荷载作用下发生损伤破坏时的破坏模式判别，能够准确提供岩石破坏全过程各个损伤阶段破坏模式的定量评价。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为单轴压缩条件下，声发射传感器位置安装图；
图3为某一原始声发射信号通过小波阈值去噪方法后的声发射波形图；
图4为某一已去噪声发射信号通过快速傅里叶变换获得的二维频谱图；
图5为某一已去噪声发射信号的频域信息处理过程模糊化Ⅰ频谱图；
图6为某一已去噪声发射信号的频域信息处理过程为模糊化Ⅱ频谱图；
图7为某一已去噪声发射信号的主频、次主频捕捉识别过程的图；
图8为某一已去噪声发射信号的主频、次主频捕捉识别过程的主频、次主频栅格化捕捉图；
图9为H-H型信号(双高频信号)的二维频谱图；
图10为L-L型信号(双高频信号)的二维频谱图；
图11为H-L型信号(混合频率信号类型Ⅰ)的二维频谱图；
图12为H-L型信号(混合频率信号类型Ⅱ)的二维频谱图；
图13为实施例2的花岗岩声发射主-次频中心频率与荷载关系曲线；
图14为实施例2的砂岩声发射主-次频中心频率与荷载关系曲线；
图15为实施例2的大理岩声发射主-次频中心频率与荷载关系曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1：如图1所示，一种岩石破坏声发射次主频识别提取方法，具体步骤如下：
(1)将不同地质成因的岩石制备成标准圆柱体试样：
不同地质成因的岩石包括岩浆岩、沉积岩和变质岩，花岗岩作为岩浆岩试样，砂岩作为沉积岩试样，大理岩作为变质岩试样；
试样尺寸为直径φ50mm×高H100mm的标准圆柱体；试样两端面不平行度误差小于0.05mm；试样两端面垂直于轴线，偏差小于0.25°；试样直径沿高度误差小于0.3mm；
(2)在圆柱体试样侧表面沿周向均匀布置声发射传感器(见图2)；
圆柱体试样侧表面的声发射传感器沿圆柱体试样轴向布置上下2层，上层声发射传感器与圆柱体试样顶端的距离为圆柱体试样高度的1/8～3/8，下层声发射传感器与圆柱体试样底端的距离为圆柱体试样高度的1/8～3/8；优选的，声发射传感器布设数量为8个，上层声发射传感器和下层声发射传感器均为4个，上层声发射传感器与圆柱体试样顶端的距离为圆柱体试样高度的1/4，下层声发射传感器与圆柱体试样底端的距离为圆柱体试样高度的1/4；
(3)采用岩石力学试验机对圆柱体试样进行单轴压缩实验，实验过程中声发射传感器接收岩石试样开始加载至完全破坏全过程释放的原始声发射波形；
先对试样施加0.5kN荷载，待试样承压端与压力机充分接触后，同步岩石力学试验机与声发射信号采集系统的采样时间，以0.2mm/min的速率继续施加轴向荷载，直至试样发生完全破坏；声发射信号采集系统设置采样频率：1000kHz，采样长度：2048，门限：40dB，前放增益：40dB；
(4)对原始声发射波形进行去噪处理，小波阈值去噪法选用db3小波基，采用软阈值函数、rigrsure阈值规则；然后再进行快速傅里叶变换得到二维频谱图；快速傅里叶变换后的二维频谱信息为
S0＝[(f1,a1),(f2,a2),…,(fp,ap),…,(fn,an)]
式中：S0-频谱信息、f-奈奎斯特频率、a-幅值、p-峰点、n-频域数据总数；
(5)对二维频谱图中的幅值、频率数据进行模糊化处理得到模糊化二维频谱图；
模糊化处理的方法为
1)选取S0中幅值同时满足ap＞ap-1和ap＜ap+1(p≥2)条件的峰点(fp,ap)，按序存入S1，通过S1作图得到模糊化Ⅰ频谱图
式中：S1-模糊化Ⅰ频谱信息、fp-模糊化Ⅰ峰点频率、ap-模糊化Ⅰ峰点幅值、p-模糊化Ⅰ峰点、n-模糊化Ⅰ频域数据总数。
2)选取S1中幅值同时满足ap＞ap-1和ap＜ap+1(p≥2)条件的峰点(fp,ap)，按序存入S2，通过S2作图得到模糊化Ⅱ频谱图
式中：S2-模糊化Ⅱ频谱信息、fpp-模糊化Ⅱ峰点频率、app-模糊化Ⅱ峰点幅值、p-模糊化Ⅱ峰点、n-模糊化Ⅱ频域数据总数。
(6)捕捉识别出具有次主频特征的声发射信号，提取该声发射信号的声发射主频和次主频；其中主频和次主频特征识别提取方法为
1)确定寻峰准则，即实现峰值与峰位的捕捉，查找模糊化Ⅱ频谱图中相互独立的峰点，将峰值及峰位点(fppp,appp)存入S3；
2)通过S3中数据绘制栅格化极值图，选取栅格化极值图中最高峰值对应的峰位与次高峰值对应的峰位，计算次高峰幅值与最高峰幅值的比值R
式中：asub-max-次高峰幅值、amax-最高峰幅值；
3)若R小于80％，则此信号记为不存在次主频特征的信号，不可用于判别岩石破坏模式；若R大于80％，则将栅格化极值图中最高峰幅值记为声发射信号主频幅值，最高峰幅值对应的频率为该信号主频；次高峰幅值为该信号次主频幅值，次高峰幅值对应的频率为该信号次主频；
(7)采集不同岩性试样从开始加载至完全破坏全过程的声发射信号，获得岩石损伤破坏各个时刻的声发射信号频域数据，对具有次主频特征的声发射信号，根据其主频和次主频的分布特征，判断该声发射信号的类型，计算各类型信号的中心频率，结合试样破坏荷载-时间曲线描述岩石破坏全过程的破坏模式；
声发射信号的类型和破坏模式的判断方法
1)对具有次主频特征的声发射信号，计算其主频、次主频值共同组成的频率区间；
2)利用频率分界线将频率区间平均分为两等份，分界线处的频率定义为界线频率；
3)将主频和次主频均不小于界线频率的信号视为H-H型即双高频信号，将主频和次主频均小于界线频率的信号视为L-L型即双低频信号，将主频大于界线频率且次主频小于界线频率的信号或主频小于界线频率且次主频大于界线频率的信号视为H-L型即混合频率信号；
4)双高频率信号对应剪切破坏，双低频率信号对应张拉破坏，混合频率信号对应张-剪复合破坏；
5)分别计算H-H型信号、L-L型信号和H-L型信号的中心频率，并根据各岩石试样的轴向应力-应变关系，将各试样加载全过程的损伤演化过程(试样破坏时间-荷载曲线)划分成3个阶段，依次为压密至弹性变形阶段(阶段Ⅰ)、微裂隙稳定发展阶段(阶段Ⅱ)、裂隙扩展至破坏阶段(阶段Ⅲ)，结合试样破坏荷载-时间曲线，描述岩石破坏全过程的破坏模式。
实施例2：如图1所示，一种岩石破坏声发射次主频识别提取方法，具体步骤如下：
S1、将不同地质成因的岩石制备成标准圆柱体试样；岩石按地质成因可分为岩浆岩、沉积岩和变质岩，其中选择花岗岩作为岩浆岩试样，编号为Gra组，砂岩作为沉积岩试样，编号San组，大理岩作为变质岩试样，编号Mar组，花岗岩、砂岩和大理岩产地分别为湖南岳阳、四川资阳和湖南耒阳某矿区；通过立式取芯机、岩石切割机、双端面磨石机等设备，在实验室内统一精加工制备成直径φ50mm×高H100mm的标准圆柱体试样；试样两端面不平行度误差小于0.05mm；试样两端面垂直于轴线，偏差小于0.25°；试样直径沿高度误差小于0.3mm；
S2、在制备好的圆柱体试样侧表面布设声发射传感器，传感器与试样接触面之间涂抹高真空硅脂；其中声发射传感器型号为SR-150M，中心频率150kHz，布设数量共8个，依次布设在距离试样上端面25mm处(上层面)和距离试样下端面25mm处(下层面)的位置，同一层面各4个，相邻传感器间隔90°，从而可以更好的实现对岩石试样整体的监测，见图2所示；
S3、通过岩石力学试验机对圆柱体试样进行单轴压缩实验，利用声发射传感器接收岩石试样开始加载至完全破坏全过程释放的原始声发射波形：将步骤S2声发射传感器布设完成的岩石试样，置于微机控制电液伺服岩石试验机轴向承压板正中心，采用直径φ为0.3mm，硬度为2H的铅笔芯折断信号作为模拟源，铅笔芯伸出长度约2.5mm，与试样侧表面的夹角约为30°，在试样的声发射上层面传感器与下层面传感器之间的任意位置处折断3次以上，响应幅度值取3次以上的平均值，且单个通道响应的幅度值与全部通道的平均幅度值之差应不大于±4dB，以此检验每个通道的灵敏度；检验完成后，操作岩石力学试验机加载系统，另一名实验员操作声发射信号采集系统，采用轴向位移闭环控制方式，预先对试样施加0.5kN荷载，待试样承压端与压力机充分接触后，同步岩石力学试验机加载系统与声发射信号采集系统的采样时间，同时启动力学加载系统与声发射采集系统，以0.2mm/min的速率继续施加轴向荷载，直至试样发生完全破坏，同时停止两个系统，保存试验数据；声发射信号采集系统设置采样频率：1000kHz，采样长度：2048，门限：40dB，前放增益：40dB；
S4、对岩石试样加载至破坏全过程的原始声发射波形进行去噪处理；以大理岩Mar-1试样的声发射第7776个(No.7776)波形为例，选择具有较好正则性、紧支撑性的Daubechies小波族的db3作为小波基，采用软阈值函数、rigrsure阈值规则，说明小波阈值去噪过程，如图3所示；rigrsure阈值规则及软阈值函数的应用方法为：
(1)设向量W为被检信号小波变换系数的平方，按从小到大的顺序排列，有：
W＝[w1,w2,...,wN](w1≤w2≤...≤wN)
式中：w-被检信号小波变换系数的平方；N-被检信号长度；
(2)设风险向量R，其元素ri为：
式中：i＝1,2,...,N；
(3)以风险向量R中的最小元素rmin作为风险值，求出对应的wi，计算rigrsure阈值：
式中：λ-rigrsure阈值，σ-噪声强度，wi-风险值的对应w值；
(4)采用软阈值函数对小波系数平方值处理：
式中：sign-符号函数；ws-去噪处理后的值；
S5、利用声发射频谱分析系统，对完成去噪的No.7776波形进行快速傅里叶变换，获得二维频谱图，如图4所示；由奈奎斯特采样定理，二维频谱信息由两列元素构成，共1024组；
S0＝[(f1,a1),(f2,a2),…,(fp,ap),…,(f1024,a1024)]
式中：S0-频谱信息、f-奈奎斯特频率、a-幅值、p-峰点；
S6、通过对二维频谱图中的幅值、频率数据进行模糊化处理，绘制模糊化二维频谱图；对二维频谱图模糊化处理方法为：
(1)选取S0中幅值同时满足ap＞ap-1和ap＜ap+1(p≥2)条件的峰值频谱数据点(fp,ap)，共264组，按序存入S1，通过S1作图得到模糊化Ⅰ频谱图，如图5所示；
式中：S1-模糊化Ⅰ频谱信息、fp-模糊化Ⅰ峰点频率、ap-模糊化Ⅰ峰点幅值、p-模糊化Ⅰ峰点；
(2)再用同样的方法，选取S1中满足条件的频谱数据点，共87组，按序存入S2，再通过S2作图得到模糊化Ⅱ频谱图，如图6所示；
式中：S2-模糊化Ⅱ频谱信息、fpp-模糊化Ⅱ峰点频率、app-模糊化Ⅱ峰点幅值、p-模糊化Ⅱ峰点。
S7、捕捉识别出具有次主频特征的声发射信号，提取声发射主频、次主频；具体方法为：
(1)确定寻峰准则，即实现峰值(幅值)与峰位(频率)的捕捉，查找模糊化Ⅱ频谱图中相互独立的峰点(见图7)，共26组，将符合条件的峰值及峰位点(fppp,appp)存入S3；
(2)通过S3中数据绘制栅格化极值图，栅格间距设置为2kHz，选取栅格化极值图中最高峰值对应的峰位与次高峰值对应的峰位(见图8)，计算次高峰幅值与最高峰幅值的比值R；
式中：asub-max-次高峰幅值；
amax-最高峰幅值；
(3)若R小于80％，将此类信号记为不存在次主频特征的信号，不可用于判别岩石破坏模式；若R大于80％，则将栅格化极值图中最高峰幅值记为声发射信号主频幅值；最高峰幅值对应的频率为该信号主频；次高峰幅值为该信号次主频幅值；次高峰幅值对应的频率为该信号次主频，No.7776波形主频为55.66kHz，主频幅值为1.36V，次主频为169.43kHz，次主频幅值为1.13V；
S8、采集花岗岩、砂岩和大理岩试样从开始加载至完全破坏全过程的声发射信号，获得岩石损伤破坏各个时刻的声发射信号频域数据；对具有次主频特征的声发射信号，计算其主频、次主频值共同组成的频率区间；利用频率分界线将频率区间平均分为两等份，分界线处的频率定义为界线频率，将主频和次主频均不小于界线频率的信号视为H-H型即双高频信号(见图9)，将主频和次主频均小于界线频率的信号视为L-L型即双低频信号(见图10)，将主频大于界线频率且次主频小于界线频率的信号(见图11)或主频小于界线频率且次主频大于界线频率的信号(见图12)视为H-L型即混合频率信号；双高频率信号对应剪切破坏，双低频率信号对应张拉破坏，混合频率信号对应张-剪复合破坏；
分别计算H-H型信号、L-L型信号和H-L型信号的中心频率，并根据各岩石试样的轴向应力-应变关系，将各试样加载全过程的损伤演化过程(试样破坏时间-荷载曲线)划分成3个阶段，依次为压密至弹性变形阶段(阶段Ⅰ)、微裂隙稳定发展阶段(阶段Ⅱ)、裂隙扩展至破坏阶段(阶段Ⅲ)，结合试样破坏荷载-时间曲线，描述岩石破坏全过程的破坏模式；
花岗岩声发射中心频率与荷载关系曲线，见图13所示；在阶段Ⅰ，花岗岩内部的原生的缺陷及微裂隙被压密闭合，产生了少量贯通，对应于张拉破坏，而新萌生的微裂纹较少，对应于剪切破坏，因此表征张拉破坏的信号数量要多于表征剪切破坏的信号数量，并且在该阶段内由于试样发生硬化，释放了一定数量的表征张-剪复合破坏的信号；随着试验荷载的增加，花岗岩损伤演化过程进入阶段Ⅱ，试样原生缺陷及微裂隙的压密闭合过程结束，新孕育的微小裂纹迅速增加，微裂隙得到稳定发育，表现为表征剪切破坏的信号开始聚集繁衍，表征张-剪复合破坏的信号则明显多于阶段Ⅰ；随着试验荷载的进一步增加，花岗岩损伤演化过程进入阶段Ⅲ，试样表现出渐进劣化的行为，其内部已形成的微裂隙在高应力状态作用下得到扩展、贯通，并与新孕育的微裂隙之间发生相互作用，逐步向宏观破裂面靠近，使得剪切破坏、张拉破坏和张-剪复合破坏均得到了迅速发展，故花岗岩在临近完全破坏前产生了大量表征剪切破坏、张拉破坏和张-剪复合破坏的信号；
砂岩声发射中心频率与荷载关系曲线，如图14所示；在阶段Ⅰ，砂岩由于其内部含有较多的孔洞，使得试样在低荷载作用下发生的变形主要为孔洞的压缩紧密，而新萌生的破裂源数量极少，故在试验初期仅发生了张拉破坏和微量的张-剪复合破坏，而未发生剪切破坏，因此在该阶段仅存在表征张-拉破坏的信号和零星几个表征张-剪复合破坏的信号；在砂岩损伤演化过程进入阶段Ⅱ后，试样内部的原生孔洞的压密紧实过程结束，逐渐向新生微裂纹的萌生发育转化，张-剪复合破坏模式开始显现，使得此阶段内表征张-剪复合破坏的信号大量涌现；在荷载的持续作用下，砂岩损伤演化过程进入阶段Ⅲ，已形成的相邻微裂纹发生的相互作用变得更为突出，使得试样发生了剪切破坏，对应于剪切破坏信号的在试验全过程首次出现，特别是试样在临近完全破坏时，表征张拉破坏、剪切破坏和张-剪复合破坏信号同时出现，表明3种破坏模式的共同作用造成了砂岩的完全破坏；
大理岩声发射中心频率与荷载关系曲线，见图15所示；在阶段Ⅰ，大理岩由于其硬脆性，试样在试验初期发生的弹性变形过程中，产生了局部初始状态的竖向裂纹群，同时夹杂了一定量的张-剪复合破坏，对应于表征张拉破坏的信号和张-剪复合破坏的信号；在阶段Ⅱ，大理岩弹性变形过程结束，试样内部已经形成的竖向裂纹群在稳定发育的同时，首次发生了剪切破坏，对应于表征剪切破坏的信号，开始逐步形成随时间连续演化的频带；在阶段Ⅲ，当大理岩内部已经发育形成的剪切裂纹、张拉裂纹和张-剪复合裂纹达到足够多的数量时，试样损伤破坏由量变引发质变，在此阶段内各裂隙间相互扩展、贯通乃至破裂，多种破坏模式共同发生、共同作用，加剧了试样的塑性破坏，使得表征张-剪复合破坏的信号频率范围变宽，表征张拉破坏和剪切破坏的信号数量显著增加。
本实施例在于基于声发射频域信息，利用岩石破坏声发射次主频识别提取方法，捕捉不同岩性岩石在损伤过程中同时存在主频、次主频的声发射信号，进一步揭示了岩石在单轴压缩条件下的破坏模式及裂纹形态。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (4)
1.一种岩石破坏声发射次主频识别提取方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）将不同地质成因的岩石制备成标准圆柱体试样；
（2）在圆柱体试样侧表面沿周向均匀布置声发射传感器；
（3）采用岩石力学试验机对圆柱体试样进行单轴压缩实验，实验过程中声发射传感器接收岩石试样开始加载至完全破坏全过程释放的原始声发射波形；
（4）对原始声发射波形进行去噪处理，然后再进行快速傅里叶变换得到二维频谱图；所述去噪处理为小波阈值去噪法，小波阈值去噪法选用db3小波基，采用软阈值函数、rigrsure阈值规则；
所述快速傅里叶变换后的二维频谱信息为：
；
式中：-频谱信息、/>-奈奎斯特频率、/>-幅值、/>-峰点、/>-频域数据总数；
（5）对二维频谱图中的幅值和频率数据进行模糊化处理得到模糊化二维频谱图；
所述模糊化处理的方法为：
1）选取中幅值同时满足/>和/>，且/>条件的峰点/>，按序存入，通过/>作图得到模糊化Ⅰ频谱图
；
式中：-模糊化Ⅰ频谱信息、/>-模糊化Ⅰ峰点频率、/>-模糊化Ⅰ峰点幅值、/>-模糊化Ⅰ峰点、/>-模糊化Ⅰ频域数据总数；
2）选取中幅值同时满足/>和/>，且/>条件的峰点/>，按序存入，通过/>作图得到模糊化Ⅱ频谱图
；
式中：-模糊化Ⅱ频谱信息、/>-模糊化Ⅱ峰点频率、/>-模糊化Ⅱ峰点幅值、/>-模糊化Ⅱ峰点、/>-模糊化Ⅱ频域数据总数；
（6）捕捉识别出具有次主频特征的声发射信号，提取该声发射信号的声发射主频和次主频；
所述主频和次主频特征识别提取方法为：
1）确定寻峰准则，即实现峰值与峰位的捕捉，查找模糊化Ⅱ频谱图中相互独立的峰点，将峰值及峰位点存入/>；
2）通过中数据绘制栅格化极值图，选取栅格化极值图中最高峰值对应的峰位与次高峰值对应的峰位，计算次高峰幅值与最高峰幅值的比值/>；
；
其中：-模糊化Ⅲ频谱信息、/>-次高峰幅值、/>-最高峰幅值；
3）若小于80%，则此信号记为不存在次主频特征的信号，不可用于判别岩石破坏模式；若/>大于80%，则将栅格化极值图中最高峰幅值记为声发射信号主频幅值，最高峰幅值对应的频率为该信号主频；次高峰幅值为该信号次主频幅值，次高峰幅值对应的频率为该信号次主频；
（7）采集不同岩性试样从开始加载至完全破坏全过程的声发射信号，获得岩石损伤破坏各个时刻的声发射信号频域数据，对具有次主频特征的声发射信号，根据其主频和次主频的分布特征，判断该声发射信号的类型，计算各类型信号的中心频率，结合试样破坏荷载-时间曲线描述岩石破坏全过程的破坏模式；
所述声发射信号的类型和破坏模式的判断方法：
1）对具有次主频特征的声发射信号，计算其主频、次主频值共同组成的频率区间；
2）利用频率分界线将频率区间平均分为两等份，分界线处的频率定义为界线频率；
3）将主频和次主频均不小于界线频率的信号视为H-H型即双高频信号，将主频和次主频均小于界线频率的信号视为L-L型即双低频信号，将主频大于界线频率且次主频小于界线频率的信号或主频小于界线频率且次主频大于界线频率的信号视为H-L型即混合频率信号；
4）双高频率信号对应剪切破坏，双低频率信号对应张拉破坏，混合频率信号对应张-剪复合破坏；
5）分别计算H-H型信号、L-L型信号和H-L型信号的中心频率，并根据各岩石试样的轴向应力-应变关系，将各试样加载全过程的损伤演化过程划分成3个阶段，依次为压密至弹性变形阶段即阶段Ⅰ、微裂隙稳定发展阶段即阶段Ⅱ、裂隙扩展至破坏阶段即阶段Ⅲ，结合试样破坏荷载-时间曲线，描述岩石破坏全过程的破坏模式。
2.根据权利要求1所述岩石破坏声发射次主频识别提取方法，其特征在于：步骤（1）不同地质成因的岩石包括岩浆岩、沉积岩和变质岩，花岗岩作为岩浆岩试样，砂岩作为沉积岩试样，大理岩作为变质岩试样。
3.根据权利要求1所述岩石破坏声发射次主频识别提取方法，其特征在于：步骤（2）圆柱体试样侧表面的声发射传感器沿圆柱体试样轴向布置上下2层，上层声发射传感器与圆柱体试样顶端的距离为圆柱体试样高度的1/8~3/8，下层声发射传感器与圆柱体试样底端的距离为圆柱体试样高度的1/8~3/8。
4.根据权利要求1所述岩石破坏声发射次主频识别提取方法，其特征在于：步骤（3）单轴压缩实验的加载方式为轴向位移闭环控制。
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