CN116930334A - 一种用小波分析岩石动态损伤演化的声发射信号的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用小波分析岩石动态损伤演化的声发射信号的方法，应用于动态岩石试验技术领域。包括以下步骤：制作岩石试样；对岩石试样进行试验，选取不同的加载率使岩石试样破坏，获取声发射试验数据；对岩石试样损伤阶段的声发射信号进行连续小波变换，得到声发射信号在不同时刻的频率分量和相应的幅度；对连续小波分析所得到的频率分量和幅值进行时频谱绘制；通过时频谱表征岩石试样的损伤演化模式。本发明将连续小波变换应用于动态岩石试验声发射信号的分析，获得了不同加载速率下动态试验的时频谱，并利用时频谱特征研究岩石动态损伤的演化。
Description
技术领域
本发明涉及动态岩石试验技术领域，更具体的说是涉及一种用小波分析岩石动态损伤演化的声发射信号的方法。
背景技术
大量研究表明，声发射信号可以表征岩石损伤，而频率作为声发射信号的一个重要参数，承载着材料失效模式的信息。高速小尺度的微裂纹会产生高频声发射信号。由于在地下施工过程中，岩石经常受到爆破等动载荷和其他扰动的影响，所以大量研究对岩石的动态损伤过程进行了声发射监测，结果表明，率效应对岩石的动压特性和声发射特性都有显著影响。中国专利CN114062109A公开了一种岩体结构面吻合度系数测量方法，通过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到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。
但现有的声发射信号分析技术，必须给出一定的阈值以消除噪声的影响。声发射信号的振幅最初超过阈值时和随后降低到阈值以下时之间的时间间隔通常被称为持续时间，其中一个持续时间对应于一个声发射事件。现有技术选取RA-AF方法来分析岩石破坏过程中的声发射信号，RA为声发射事件中峰值振幅与达到峰值振幅所需时间的比率，AF为声发射振铃次数与事件持续时间的比率，通过研究RA和AF值随时间的关系来推断岩石损伤模式的演变。对于静态声发射事件，RA-AF方法可用于分析岩石损伤模式，然而动态声发射信号的持续时间短且复杂，基于动态声发射信号的高频、非光滑、能量有限和瞬态特性，RA-AF方法的本质是确定给定时刻声发射事件的频率和振幅，传统的RA-AF分析方法无法直接应用于动态声发射信号的分析。因此，如何提供一种用于动态声发射信号的岩石动态损伤演化分析方法是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种用小波分析岩石动态损伤演化的声发射信号的方法，基于声发射系统获取岩石动态破坏过程中的声发射信号，将小波分析应用到岩石动态破坏过程获得的声发射信号中，并结合MATLAB编程绘制出岩石破坏过程的时频谱，通过得到的时频谱将声发射信号转化为岩石的损伤模式组成和演化过程。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用小波分析岩石动态损伤演化的声发射信号的方法，包括以下步骤：
S1、制作岩石试样；
S2、对岩石试样进行试验，选取不同的加载率使岩石试样破坏，获取声发射试验数据；
S3、对岩石试样损伤阶段的声发射信号进行连续小波变换，得到声发射信号在不同时刻的频率分量和相应的幅度；
S4、对连续小波分析所得到的频率分量和幅值进行时频谱绘制；
S5、通过时频谱表征岩石试样的损伤演化模式。
可选的，S2中采用带有声发射系统的分离式霍普金森压杆对岩石试样进行试验。
可选的，S3中的连续小波变换具体为：
式中，CWT表示连续小波变换，ψ为小波基函数，a为频率参数，b为时间参数。
可选的，小波基函数为Morlet小波函数，频率参数a与实际频率Fa之间的关系为：
式中，Fc为小波基函数的中心频率，fs为采样频率。
可选的，S4中通过MATLAB编程绘制时频谱，实现连续小波分析所得到的频率分量和幅值可视化。
可选的，S5中声发射频率与岩石试样损伤模式的对应关系为：0-100kHz范围内，损伤模式以剪切破坏为主；100-200kHz范围内，损伤模式以剪切破坏和拉伸破坏为主；频率高于200kHz，损伤模式以拉伸破坏为主。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开了一种用小波分析岩石动态损伤演化的声发射信号的方法，具有以下有益效果：
1、本发明对岩石动态损伤阶段的声发射信号进行连续小波变换，得到信号在不同时刻的频率分量和相应的幅度，首次将小波分析应用到动态声发射信号中，解决了如何处理岩石动态破坏过程中获取的声发射信号的问题，将岩石的损伤模式和频率组成对应起来可以直观清晰的量化岩石的动态损伤演变过程，也为处理动态声发射信号提供了适用于动态声发射信号的高频，瞬态等特性的合适的方法；
2、采取MATLAB编程来呈现所获得的CWT变换获得的频率和幅值的数据，通过二维云图更直观的来展示频率和幅值的时间分布，为我们分析岩石的损伤模式提供了依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的分析岩石动态损伤演化方法流程图；
图2为本发明实施例中的时频谱示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开了一种用小波分析岩石动态损伤演化的声发射信号的方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、制作岩石试样；
S2、对岩石试样进行试验，选取不同的加载率使岩石试样破坏，获取声发射试验数据；
S3、对岩石试样损伤阶段的声发射信号进行连续小波变换，得到声发射信号在不同时刻的频率分量和相应的幅度；
S4、对连续小波分析所得到的频率分量和幅值进行时频谱绘制；
S5、通过时频谱表征岩石试样的损伤演化模式。
进一步的，S2中采用带有声发射系统的分离式霍普金森压杆对岩石试样进行试验。
进一步的，S3中的连续小波变换具体为：
式中，CWT表示连续小波变换，ψ为小波基函数，a为频率参数，b为时间参数。
进一步的，小波基函数为Morlet小波函数，频率参数a与实际频率Fa之间的关系为：
式中，Fc为小波基函数的中心频率，fs为采样频率。
进一步的，S4中通过MATLAB编程绘制时频谱，实现连续小波分析所得到的频率分量和幅值可视化。
进一步的，S5中声发射频率与岩石试样损伤模式的对应关系为：0-100kHz范围内，损伤模式以剪切破坏为主；100-200kHz范围内，损伤模式以剪切破坏和拉伸破坏为主；频率高于200kHz，损伤模式以拉伸破坏为主。
进一步的，以花岗岩在加载率为2569GPa/s的动态压缩试验进行损伤模式分析，频率在0-50kHz范围是应力波和剪切破坏信号频率的混合，50-100kHz范围主要由剪切裂纹信号的频率组成，100-200kHz范围同时包含剪切破坏和拉伸破坏信号，频率高于200kHz的信号主要是拉伸破坏。
在本实施例中，MATLAB编程绘制的时频谱如图2所示，可以看出，在240μs和340μs时，200kHz频率分量的能量达到最大值，岩石试样中以拉伸损伤为主。在350μs时，试样中产生以剪切损伤(115kHz)为主的混合剪切-拉伸损伤，频率分量持续约150μs，表明剪切-拉伸裂纹的发展持续了一定的时间。在140μs和460μs之间，试样中发生的剪切损伤频率约为60kHz、75kHz和85kHz，与拉伸损伤相比，所有这些损伤持续的时间相对较长。从时频谱可以看出，高频拉伸损伤信号和混合剪切拉伸损伤信号通常发生在前400μs内，并且通常持续时间较短。而低频剪切损伤几乎与高频信号同时发生或稍晚发生，但持续时间更长。可以推断，在动载荷作用下，岩石首先受到严重的拉伸和混合剪切拉伸损伤，其次是剪切损伤，并伴随着裂纹的扩展。这意味着岩石在动态加载过程中表现出从拉伸损伤转变为剪切损伤的混合损伤模式。基于时间频谱可以很容易地识别岩石动态破坏过程中的不同频率分量，并分析岩石破坏模式的演变。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (6)
1.一种用小波分析岩石动态损伤演化的声发射信号的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、制作岩石试样；
S2、对岩石试样进行试验，选取不同的加载率使岩石试样破坏，获取声发射试验数据；
S3、对岩石试样损伤阶段的声发射信号进行连续小波变换，得到声发射信号在不同时刻的频率分量和相应的幅度；
S4、对连续小波分析所得到的频率分量和幅值进行时频谱绘制；
S5、通过时频谱表征岩石试样的损伤演化模式。
2.根据权利要求1所述的一种用小波分析岩石动态损伤演化的声发射信号的方法，其特征在于，S2中采用带有声发射系统的分离式霍普金森压杆对岩石试样进行试验。
3.根据权利要求1所述的一种用小波分析岩石动态损伤演化的声发射信号的方法，其特征在于，S3中的连续小波变换具体为：
式中，CWT表示连续小波变换，ψ为小波基函数，a为频率参数，b为时间参数。
4.根据权利要求3所述的一种用小波分析岩石动态损伤演化的声发射信号的方法，其特征在于，小波基函数为Morlet小波函数，频率参数a与实际频率Fa之间的关系为：
式中，Fc为小波基函数的中心频率，fs为采样频率。
5.根据权利要求1所述的一种用小波分析岩石动态损伤演化的声发射信号的方法，其特征在于，S4中通过MATLAB编程绘制时频谱，实现连续小波分析所得到的频率分量和幅值可视化。
6.根据权利要求1所述的一种用小波分析岩石动态损伤演化的声发射信号的方法，其特征在于，S5中声发射频率与岩石试样损伤模式的对应关系为：0-100kHz范围内，损伤模式以剪切破坏为主；100-200kHz范围内，损伤模式以剪切破坏和拉伸破坏为主；频率高于200kHz，损伤模式以拉伸破坏为主。
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