一種巖石聲發(fā)射源定位方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于巖石聲發(fā)射源定位技術(shù)領(lǐng)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(fā)射源定位方法有關(guān)。
【背景技術(shù)】
[0002] 巖石材料受外力或內(nèi)力作用時(shí)，由于其本身的彈性形變、裂紋擴(kuò)展，造成脆性材 料內(nèi)局部因能量的快速釋放而發(fā)出的瞬態(tài)彈性波現(xiàn)象，稱為聲發(fā)射（acousticemission， AE)。聲發(fā)射是研究脆性材料失穩(wěn)破裂演化過程的一個(gè)良好工具，能連續(xù)、實(shí)時(shí)地監(jiān)測載荷 作用下脆性材料內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，并實(shí)現(xiàn)對其破壞位置的定位，這是其他任何試 驗(yàn)方法都不具有的特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于研究巖石、混凝土等材料的破裂失穩(wěn)機(jī)制研究。聲 發(fā)射事件定位不僅能夠獲取巖石不同加載階段其聲發(fā)射的活動特性，同時(shí)能夠反映整個(gè)加 載過程中巖石內(nèi)部微裂紋孕育、萌生、擴(kuò)展、成核和貫通的三維空間演化過程，這對進(jìn)一步 理解巖石破裂失穩(wěn)機(jī)制無疑是十分有意義的工作。因此，聲發(fā)射事件定位是研究巖石破裂 失穩(wěn)過程的關(guān)鍵，而聲發(fā)射事件定位算法的研究就成為首要任務(wù)?，F(xiàn)階段聲發(fā)射源定位是 在巖石樣品表面安裝多個(gè)傳感器，通過獲取聲發(fā)射信號的時(shí)間差來實(shí)現(xiàn)聲發(fā)射源定位。目 前定位方法按聲發(fā)射定位原理分：區(qū)域定位法和時(shí)差定位法。區(qū)域定位法根據(jù)聲發(fā)射信 號的傳感器個(gè)數(shù)和相對時(shí)差時(shí)序來判定聲發(fā)射源所處的區(qū)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(diǎn)，目前聲發(fā)射源的定位技術(shù)大都采用時(shí)差 定位。對于時(shí)差定位方法，準(zhǔn)確確定各傳感器接收聲發(fā)射信號時(shí)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(fā)射信號傳播速度較快，因此，必須采用新 的更精確的時(shí)延判定方法，準(zhǔn)確確定聲發(fā)射波的到達(dá)時(shí)間或各傳感器接收到的聲發(fā)射信號 的時(shí)差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對上述問題，本發(fā)明的目的提供一種能夠?qū)β暟l(fā)射源進(jìn)行精度較高的空間位置 預(yù)測的基于小波變換和全相位頻譜分析的巖石聲發(fā)射源定位方法。
[0004] 為此，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種巖石聲發(fā)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(biāo)準(zhǔn)長方體試樣；
[0006] 步驟2 :在長方體試樣的周邊放置N個(gè)不處于同一平面的聲發(fā)射傳感器，傳感器和 試樣之間涂凡士林，增強(qiáng)二者之間的耦合性；
[0007] 步驟3 :利用聲發(fā)射傳感器接收試樣內(nèi)部損傷產(chǎn)生的聲發(fā)射信號；
[0008] 步驟4 :對各個(gè)聲發(fā)射傳感器接收的聲發(fā)射波形進(jìn)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(gè)不同傳感器且主頻相同的4個(gè)子 帶信號，為后續(xù)分析提供有效的聲發(fā)射信號；
[0010] 步驟6 :對步驟5中4個(gè)子帶信號進(jìn)行全相位頻譜分析，分別求取4個(gè)子帶信號的 相位，利用相位差法進(jìn)行時(shí)間差測量，求取4個(gè)傳感器接收聲發(fā)射信號的時(shí)間差。
[0011] 步驟7 :通過步驟6中的確定4個(gè)傳感器接收聲發(fā)射信號的時(shí)間差，通過四個(gè)傳感 器的位置坐標(biāo)采用最小二乘法進(jìn)行聲發(fā)射空間定位獲得聲發(fā)射源K點(diǎn)的坐標(biāo)。
[0012] 作為對上述技術(shù)方案的補(bǔ)充和完善，本發(fā)明還包括以下技術(shù)特征。
[0013] 所述步驟2中的N大于等于4。
[0014] 所述步驟3的內(nèi)部損傷產(chǎn)生的聲發(fā)射信號通過斷鉛實(shí)驗(yàn)獲得。
[0015] 所述步驟5的具體方法：對小波分解后各層信號進(jìn)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(yīng)的頻率為該聲發(fā)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(gè)子帶 信號，4個(gè)子帶信號分別來自4個(gè)不同傳感器。
[0016] 使用本發(fā)明可以達(dá)到以下有益效果：1、本發(fā)明借助于小波分解和全相位頻譜分析 結(jié)合相位差法進(jìn)行聲發(fā)射信號精確時(shí)間差估計(jì)，可以減小定位誤差；2、該方法三維斷鉛定 位試驗(yàn)定位結(jié)果的平均絕對誤差比美國PCI-2型聲發(fā)射儀器定位結(jié)果降低3_ ;3、該方法 中全相位頻譜分析可以用FFT模塊實(shí)現(xiàn)，計(jì)算速度很快，利于硬件實(shí)現(xiàn)。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明的流程圖；
[0018] 圖2為本發(fā)明斷鉛實(shí)驗(yàn)中傳感器布置及坐標(biāo)位置示意圖；
[0019] 圖3為本發(fā)明坐標(biāo)點(diǎn)（50,45, 25)斷鉛實(shí)驗(yàn)8個(gè)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(fā)明坐標(biāo)點(diǎn)（50,45, 25)斷鉛實(shí)驗(yàn)8個(gè)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(fā)明10次斷鉛實(shí)驗(yàn)全相位相位差法聲發(fā)射時(shí)間延遲測試結(jié)果表格圖；
[0022] 圖6為本發(fā)明基于小波分解與全相位頻譜分析所測得10次斷鉛實(shí)驗(yàn)定位結(jié)果及 誤差統(tǒng)計(jì)表格圖；
[0023] 圖7為美國PCI - 2型聲發(fā)射測試10次斷鉛實(shí)驗(yàn)的定位結(jié)果及誤差統(tǒng)計(jì)表格圖；
[0024]圖8為本發(fā)明全相位相位差法定位與美國PCI-2型聲發(fā)射儀器定位結(jié)果絕對誤差 對比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0026] 實(shí)施例：如圖1~圖8所示，本發(fā)明包括以下步驟：
[0027] 步驟1 :制備花崗巖標(biāo)準(zhǔn)長方體試樣；選用花崗巖為試驗(yàn)樣品，花崗巖取自山東萊 州某礦區(qū)，制備成50mmX50mmX100mm的標(biāo)準(zhǔn)長方體試樣。
[0028] 步驟2:如圖2所示，將8個(gè)R6α傳感器聲發(fā)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(qiáng)二者之間的耦合性。本發(fā)明中布置的8個(gè)傳感 器的坐標(biāo)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(jìn)行過斷鉛實(shí)驗(yàn)，利用聲發(fā)射傳感器接收試樣 內(nèi)部損傷產(chǎn)生的聲發(fā)射信號；
[0030] 共做了 10次斷鉛試驗(yàn)，斷鉛坐標(biāo)點(diǎn)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(gè)聲發(fā)射傳感器接收的聲發(fā)射波形進(jìn)行小波去噪處理和小波分解； 根據(jù)以往選擇聲發(fā)射信號小波基的經(jīng)驗(yàn)，將Daubechies小波作為小波基，選擇Heursure混 合閾值規(guī)則和軟閾值函數(shù)，對獲取的聲發(fā)射信號進(jìn)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(gè)不同傳感 器且主頻相同的4個(gè)子帶信號，為后續(xù)分析提供有效的聲發(fā)射信號；以坐標(biāo)點(diǎn)（50,45,25) 進(jìn)行斷鉛試驗(yàn)結(jié)果為例，來說明優(yōu)選聲發(fā)射信號的過程。對小波分解后各層信號進(jìn)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(gè)傳感器 接收到的信號經(jīng)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(xù)分析坐標(biāo)點(diǎn)（50,45,25)斷鉛試驗(yàn)結(jié)果時(shí)， 可以選擇2、5、7和8這4個(gè)傳感器的第5層細(xì)節(jié)信號進(jìn)行全相位相位差計(jì)算。
[0033] 步驟6:如圖5所示，對步驟5中4個(gè)子帶信號進(jìn)行全相位頻譜分析，分別找到4個(gè) 子帶信號主頻對應(yīng)的相位，利用相位差法進(jìn)行時(shí)間差測量，求取斷鉛試驗(yàn)中4個(gè)傳感器接 收聲發(fā)射信號的時(shí)間差。