一種巖石聲發射源定位方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于巖石聲發射源定位技術領域，尤其與一種基于小波變換和全相位頻譜 分析的巖石聲發射源定位方法有關。
【背景技術】
[0002] 巖石材料受外力或內力作用時，由于其本身的彈性形變、裂紋擴展，造成脆性材 料內局部因能量的快速釋放而發出的瞬態彈性波現象，稱為聲發射（acousticemission， AE)。聲發射是研究脆性材料失穩破裂演化過程的一個良好工具，能連續、實時地監測載荷 作用下脆性材料內部微裂紋的產生和擴展，并實現對其破壞位置的定位，這是其他任何試 驗方法都不具有的特點，已被廣泛應用于研究巖石、混凝土等材料的破裂失穩機制研究。聲 發射事件定位不僅能夠獲取巖石不同加載階段其聲發射的活動特性，同時能夠反映整個加 載過程中巖石內部微裂紋孕育、萌生、擴展、成核和貫通的三維空間演化過程，這對進一步 理解巖石破裂失穩機制無疑是十分有意義的工作。因此，聲發射事件定位是研究巖石破裂 失穩過程的關鍵，而聲發射事件定位算法的研究就成為首要任務。現階段聲發射源定位是 在巖石樣品表面安裝多個傳感器，通過獲取聲發射信號的時間差來實現聲發射源定位。目 前定位方法按聲發射定位原理分：區域定位法和時差定位法。區域定位法根據聲發射信 號的傳感器個數和相對時差時序來判定聲發射源所處的區域，是一種快速簡便而粗略的方 法，具有一定的不確定性。為了得到唯一的定位點，目前聲發射源的定位技術大都采用時差 定位。對于時差定位方法，準確確定各傳感器接收聲發射信號時間差顯得尤為重要，其誤差 的大小直接影響著定位精度。由于巖石材料中聲發射信號傳播速度較快，因此，必須采用新 的更精確的時延判定方法，準確確定聲發射波的到達時間或各傳感器接收到的聲發射信號 的時差。
【發明內容】
[0003] 針對上述問題，本發明的目的提供一種能夠對聲發射源進行精度較高的空間位置 預測的基于小波變換和全相位頻譜分析的巖石聲發射源定位方法。
[0004] 為此，本發明采用以下技術方案：一種巖石聲發射源定位方法，其特征是，包括以 下步驟：
[0005] 步驟1 :制備花崗巖標準長方體試樣；
[0006] 步驟2 :在長方體試樣的周邊放置N個不處于同一平面的聲發射傳感器，傳感器和 試樣之間涂凡士林，增強二者之間的耦合性；
[0007] 步驟3 :利用聲發射傳感器接收試樣內部損傷產生的聲發射信號；
[0008] 步驟4 :對各個聲發射傳感器接收的聲發射波形進行小波去噪處理和小波分解；
[0009] 步驟5 :從傳感器接收的信號中挑選出來自4個不同傳感器且主頻相同的4個子 帶信號，為后續分析提供有效的聲發射信號；
[0010] 步驟6 :對步驟5中4個子帶信號進行全相位頻譜分析，分別求取4個子帶信號的 相位，利用相位差法進行時間差測量，求取4個傳感器接收聲發射信號的時間差。
[0011] 步驟7 :通過步驟6中的確定4個傳感器接收聲發射信號的時間差，通過四個傳感 器的位置坐標采用最小二乘法進行聲發射空間定位獲得聲發射源K點的坐標。
[0012] 作為對上述技術方案的補充和完善，本發明還包括以下技術特征。
[0013] 所述步驟2中的N大于等于4。
[0014] 所述步驟3的內部損傷產生的聲發射信號通過斷鉛實驗獲得。
[0015] 所述步驟5的具體方法：對小波分解后各層信號進行快速傅里葉變換，獲得二維 頻譜圖，二維頻譜圖中最大幅值對應的頻率為該聲發射信號的主頻；利用此方法取各層信 號的主頻值，對比分析各傳感器分解后的子帶信號主頻，從中找出主頻最接近的4個子帶 信號，4個子帶信號分別來自4個不同傳感器。
[0016] 使用本發明可以達到以下有益效果：1、本發明借助于小波分解和全相位頻譜分析 結合相位差法進行聲發射信號精確時間差估計，可以減小定位誤差；2、該方法三維斷鉛定 位試驗定位結果的平均絕對誤差比美國PCI-2型聲發射儀器定位結果降低3_ ;3、該方法 中全相位頻譜分析可以用FFT模塊實現，計算速度很快，利于硬件實現。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發明的流程圖；
[0018] 圖2為本發明斷鉛實驗中傳感器布置及坐標位置示意圖；
[0019] 圖3為本發明坐標點（50,45, 25)斷鉛實驗8個傳感器接收到的信號及其小波分 解信號頻譜圖；
[0020] 圖4為本發明坐標點（50,45, 25)斷鉛實驗8個傳感器接收到的信號及小波分解 后子帶信號主頻表格圖；
[0021] 圖5為本發明10次斷鉛實驗全相位相位差法聲發射時間延遲測試結果表格圖；
[0022] 圖6為本發明基于小波分解與全相位頻譜分析所測得10次斷鉛實驗定位結果及 誤差統計表格圖；
[0023] 圖7為美國PCI - 2型聲發射測試10次斷鉛實驗的定位結果及誤差統計表格圖；
[0024]圖8為本發明全相位相位差法定位與美國PCI-2型聲發射儀器定位結果絕對誤差 對比圖。
【具體實施方式】
[0025] 下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行詳細描述。
[0026] 實施例：如圖1~圖8所示，本發明包括以下步驟：
[0027] 步驟1 :制備花崗巖標準長方體試樣；選用花崗巖為試驗樣品，花崗巖取自山東萊 州某礦區，制備成50mmX50mmX100mm的標準長方體試樣。
[0028] 步驟2:如圖2所示，將8個R6α傳感器聲發射傳感器2貼在制備好的長方體試 樣1上，傳感器和試樣之間涂凡士林3,增強二者之間的耦合性。本發明中布置的8個傳感 器的坐標分別為Α1 (25,80,0)、Α2 (25, 20,0)、Α3 (50,80, 25)、Α4 (50, 20, 25)、Α5 (25,80, 50)、 Α6 (25, 20, 50)、Α7 (0,80, 25)、Α8 (0, 20, 25)，單位為mm。
[0029]步驟3:在長方體試樣上確定位置進行過斷鉛實驗，利用聲發射傳感器接收試樣 內部損傷產生的聲發射信號；
[0030] 共做了 10次斷鉛試驗，斷鉛坐標點分別為（25,60, 50)、（25,45, 50)、（50,60, 25)、 (50,45,25)、（25,60,0)、（25,45,0)、（0,60,25)、（0,45,25)、（25，100,35)、（25，100，15)。
[0031] 步驟4:對各個聲發射傳感器接收的聲發射波形進行小波去噪處理和小波分解； 根據以往選擇聲發射信號小波基的經驗，將Daubechies小波作為小波基，選擇Heursure混 合閾值規則和軟閾值函數，對獲取的聲發射信號進行去噪和5層分解處理。
[0032] 步驟5:如圖3和圖4所示，從眾多傳感器接收的信號中挑選出來自4個不同傳感 器且主頻相同的4個子帶信號，為后續分析提供有效的聲發射信號；以坐標點（50,45,25) 進行斷鉛試驗結果為例，來說明優選聲發射信號的過程。對小波分解后各層信號進行快速 傅里葉變換分析，求取各層信號的主頻值，如圖4所示，可以看出2、5、7和8這4個傳感器 接收到的信號經過小波分解后的子帶信號頻率是相同的，均為43. 01kHz，并且原始的接收 信號主頻和分解后的子帶信號主頻一致，故后續分析坐標點（50,45,25)斷鉛試驗結果時， 可以選擇2、5、7和8這4個傳感器的第5層細節信號進行全相位相位差計算。
[0033] 步驟6:如圖5所示，對步驟5中4個子帶信號進行全相位頻譜分析，分別找到4個 子帶信號主頻對應的相位，利用相位差法進行時間差測量，求取斷鉛試驗中4個傳感器接 收聲發射信號的時間差。