巖石在單軸壓縮條件下聲發射主頻提取方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于聲發射探測領域，涉及一種巖石在單軸壓縮條件下聲發射主頻的提取方法。
【背景技術】
[0002]聲發射(Acoustic Emiss1n，簡稱AE)技術是利用巖石變形過程中，內部破裂的產生和破裂面之間的摩擦滑動所輻射的超聲波信息，連續不斷地觀測巖石材料內部微破裂的動態演化，以此來研究巖石變形、破壞的微觀機制。在巖體的穩定性研究方面有重要作用，被廣泛應用于研究巖石等材料的破壞研究。近些年來，學者們開始從聲發射波譜分析的角度對巖石破裂發生機理進行研究，尋求巖石破裂的充分必要條件。聲發射波形攜帶有巖石受力狀態、結構、物理力學性質等全部信息，分析波譜信息能夠更好了解巖石破壞機制及破壞前兆。
[0003]如何針對巖石聲發射信號的特點，利用頻譜分析技術準確有效提取聲發射信號的頻率特征，確定聲發射信號主頻顯得尤為重要。然而到目前為止，國際上還尚未形成明確的建議方法來確定巖石聲發射信號的主頻。
【發明內容】
[0004]本發明提供了一種巖石在單軸壓縮條件下聲發射主頻提取方法。
[0005]本發明采用的技術方案如下:
一種巖石在單軸壓縮條件下聲發射主頻提取方法，其特征在于，按如下步驟進行:
a、將巖石制備成長方體試樣；
b、將聲發射傳感器貼在制備好的長方體試樣上；
c、利用巖石力學試驗機對試樣施加載荷，利用聲發射傳感器接收試樣內部損傷產生的聲發射信號，試驗過程中采用聲發射監測系統實時同步監測試樣的破裂過程；
d、利用聲發射頻譜分析系統，對步驟c中接收到聲發射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的主頻；
e、收集試樣從加載到破壞整個過程的全部聲發射波形信號，對所有波形進行傅里葉變換變換，獲得不同時刻的主頻信息，繪制載荷、主頻與時間的關系曲線，利用主頻對巖石單軸壓縮損傷特性進行描述。
[0006]本發明為獲取巖石在單軸壓縮條件下的聲發射信號主頻提供了一種新方法，其優點如下:該方法利用快速傅里葉變換提取聲發射信號的主頻，簡單高效，易于推廣；該方法可以實現對巖石災變過程所有聲發射波形進行快速傅里葉變換，獲取巖石災變過程全方位的主頻信息。
[0007]本發明的優選方案是:
步驟a中巖石選用花崗巖、玄武巖或煤矸石。
[0008]步驟a中試樣尺寸為50mmX50mmX 100mm的長方體，試樣兩端面不平整度誤差小于0.05mm，沿高度兩對邊長度誤差小于0.3mm。
[0009]步驟b中聲發射傳感器為R6a型諧振式高靈敏度傳感器，其工作頻率為35?lOOkHzo
[0010]步驟b中試驗時在傳感器和試樣之間涂有凡士林。
[0011]步驟c中巖石力學試驗機為微機控制電液伺服巖石力學試驗機。
[0012]步驟c中單軸壓縮試驗采用軸向等位移控制方式加載，先預加載至1.5KN，隨后以
0.2mm/min的速率加載至破壞。
[0013]傳感器設置在試樣的兩個相對面上。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發明提供的一種巖石單軸壓縮條件下聲發射主頻提取方法的流程圖。
[0015]圖2為本發明中單軸壓縮條件下聲發射傳感器的位置圖。
[0016]圖3為本發明中單軸壓縮條件下實驗現場圖。
[0017]圖4為本發明中某一聲發射信號主頻提取過程圖中的原始聲發射波形信號圖。
[0018]圖5為本發明中某一聲發射信號主頻提取過程圖中的對波形信號進行快速傅里葉變換，獲得該信號的二維頻譜圖。
[0019]圖6為本發明中單軸壓縮條件下花崗巖載荷、主頻與時間的關系曲線圖。
[0020]圖7為本發明中單軸壓縮條件下玄武巖載荷、主頻與時間的關系曲線圖。
[0021]圖8為本發明中單軸壓縮條件下煤矸石載荷、主頻與時間的關系曲線圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細的說明。
[0023]如圖1所示，一種巖石單軸壓縮條件下聲發射主頻提取方法，依次按如下步驟進行:
步驟a:將需要測試的巖石制備成標準長方體試樣。
[0024]選用花崗巖、玄武巖和煤矸石分別為1、2、3號為試驗樣品，花崗巖、玄武巖和煤矸石分別取自山東萊州、內蒙古赤峰和河北唐山某礦區，制備成50mmX50mmX 100mm的標準長方體試樣若干并編號。
[0025]步驟b:如圖2所示，放置試樣，固定聲發射傳感器。
[0026]將試件安裝在壓力機的試樣臺1上，在該試樣2中部安裝2個聲發射傳感器3，兩個聲發射傳感器置于試樣2的兩個相對面上，如圖中所示為左、右兩個相對面。
[0027]試驗時在聲發射傳感器3和試樣之間涂上凡士林4，增強二者耦合性，減少聲發射信號的衰減。
[0028]聲發射傳感器3與聲發射儀5線路連接，聲發射儀5與聲發射檢測系6統連接。試樣臺1通過線路與控制柜7連接。
[0029]步驟c:如圖3所示。采用壓力機對試件進行單軸加載，采集巖石試樣破裂全過程的聲發射信號。
[0030]試驗中采用的加載系統為長春朝陽試驗儀器有限公司生產TAW - 3000伺服巖石力學試驗機，單軸加載采用軸向等位移控制方式加載，為保證試樣與加載面完全接觸，避免接觸時所產生的接觸噪聲影響聲發射監測結果，先預加載至1.5KN，隨后以0.2mm/min的速率加載至破壞。試驗過程中采用聲發射監測系統實時同步監測試樣的破裂過程，聲發射監測為美國物理聲學公司PAC生產的PC1- 2型多通道聲發射監測系統。
[0031]步驟d:基于matlab平臺，所編制的聲發射頻譜分析系統，提取聲發射信號的主頻。以3號煤矸石試樣聲發射第5408號波形為例，來說明聲發射信號主頻提取過程。基于matlab平臺，編制聲發射頻譜分析系統，提取原始聲發射波形信號，如圖4所示。對波形信號進行快速傅里葉變換(FFT)，獲得二維頻譜圖，如圖5所示。定義主頻為二維頻譜圖中最大幅值所對應的頻率。觀察此波形二維頻譜圖，可知其主頻為37.llkHzo
[0032]步驟e:如圖6、圖7和圖8所示，對巖石破壞過程所有聲發射信號進行快速傅里葉變換，繪制巖石試樣整個破壞過程載荷、主頻與時間曲線。
[0033]根據步驟d所得結果，選擇試樣從加載到破壞整個過程的全部聲發射波形信號，對所有波形進行快速傅里葉變換，獲得不同時刻的主頻信息，繪制載荷、主頻與時間的關系曲線，利用主頻對巖石單軸壓縮損傷特性進行描述。
[0034]本實施例在于提出利用快速傅里葉變換方法獲取聲發射信號主頻，進一步揭示巖石災變過程聲發射頻域變化特征，為從頻譜角度分析巖石災變過程提供了一條新的思路。
【主權項】
1.一種巖石在單軸壓縮條件下聲發射主頻提取方法，其特征在于，按如下步驟進行: a、將巖石制備成長方體試樣； b、將聲發射傳感器貼在制備好的長方體試樣上； c、利用巖石力學試驗機對試樣施加載荷，利用聲發射傳感器接收試樣內部損傷產生的聲發射信號，試驗過程中采用聲發射監測系統實時同步監測試樣的破裂過程； d、利用聲發射頻譜分析系統，對步驟c中接收到聲發射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的主頻； e、收集試樣從加載到破壞整個過程的全部聲發射波形信號，對所有波形進行傅里葉變換變換，獲得不同時刻的主頻信息，繪制載荷、主頻與時間的關系曲線，利用主頻對巖石單軸壓縮損傷特性進行描述。2.根據權利要求1所述的巖石在單軸壓縮條件下聲發射主頻提取方法，其特征在于，步驟a中巖石選用花崗巖、玄武巖或煤矸石。3.根據權利要求1所述的巖石在單軸壓縮條件下聲發射主頻提取方法，其特征在于，步驟a中試樣尺寸為50mmX 50mmX 100mm的長方體，試樣兩端面不平整度誤差小于0.05mm,沿高度兩對邊長度誤差小于0.3mm。4.根據權利要求1所述的巖石在單軸壓縮條件下聲發射主頻提取方法，其特征在于，步驟b中聲發射傳感器為R6 α型諧振式高靈敏度傳感器，其工作頻率為35?100kHz。5.根據權利要求1所述的巖石在單軸壓縮條件下聲發射主頻提取方法，其特征在于， 步驟b中試驗時在傳感器和試樣之間涂有凡士林。6.根據權利要求1所述的巖石在單軸壓縮條件下聲發射主頻提取方法，其特征在于，步驟c中巖石力學試驗機為微機控制電液伺服巖石力學試驗機。7.根據權利要求1所述的巖石在單軸壓縮條件下聲發射主頻提取方法，其特征在于，步驟c中單軸壓縮試驗采用軸向等位移控制方式加載，先預加載至1.5kN，隨后以0.2mm/min的速率加載至破壞。8.根據權利要求5所述的巖石在單軸壓縮條件下聲發射主頻提取方法，其特征在于，傳感器設置在試樣的兩個相對面上。
【專利摘要】本發明屬于聲發射探測領域，涉及一種巖石在單軸壓縮條件下聲發射主頻的提取方法。將巖石制備成長方體試樣；將聲發射傳感器貼在制備好的長方體試樣上；利用巖石力學試驗機對試樣施加載荷，利用聲發射傳感器接收試樣內部損傷產生的聲發射信號，試驗過程中采用聲發射監測系統實時同步監測試樣的破裂過程；對步驟接收到聲發射信號進行快速傅里葉變換，獲得二維頻譜圖；收集試樣從加載到破壞整個過程的全部聲發射波形信號，對所有波形進行傅里葉變換，獲得不同時刻的主頻信息，繪制載荷、主頻與時間的關系曲線。本發明利用快速傅里葉變換提取聲發射信號的主頻，簡單高效，易于推廣；能夠獲取巖石災變過程全方位的主頻信息。
【IPC分類】G01N29/14, G01N29/46
【公開號】CN105403623
【申請號】CN201510741248
【發明人】張艷博, 梁鵬, 孫林, 田寶柱, 姚旭龍, 劉祥鑫
【申請人】華北理工大學
【公開日】2016年3月16日
【申請日】2015年11月4日