基于小波分析的岩石声发射信号处理技术

根据岩石声发射信号的特点,利用小波分析方法对岩石声发射信号进行分解、消噪和重构,得到了较为直观的声发射信号.介绍了小波与小波包分析的特点;对声发射信号进行小波消噪,比较了不同阈值下的消噪效果;并提出了基于能量阈值法的小波包消噪,其效果优于小波消噪.     

基于小波变换的岩石声发射信号分析

在钢性试验机上对大理岩进行了单轴压缩声发射试验,以小波变换为主,结合频谱分析和参数分析对获取的声发射信号进行处理和分析。结果表明,声发射率的大小与能率的大小不具有一致性,声发射率高的岩石（岩体）仍可能处于能量累积阶段,大理岩破坏各阶段的衔接处会产生能率或声发射率突增。声发射信号频率在大理岩破坏的前两个阶段比较单调,第三阶段变复杂。无论哪一阶段,复杂频率信号多产生在声发射率突增时刻。利用小波降噪,可以最大保持与原信号相似性,不会丢失与噪声信号频率相近的低能信号;用小波分解可以将各频段的特征信号从原信号中提取出来,这种分析方法适合处理包含多特征信息的岩石声发射信号。     

基于AO优化VMD-小波包的岩石破裂声发射信号去噪算法

针对岩石在破裂过程中产生的大量含噪声发射信号问题,基于天鹰优化(Aquila Optimizer,AO)算法提出一种改进的变分模态分解(VMD)联合小波包分解的声发射(AE)信号去噪算法。利用Circle混沌优化的AO算法对VMD算法中的分解模态个数K和二次惩罚因子α进行寻优,有效避免了人为经验选取参数导致的时间消耗以及效果不佳等问题;利用得到的最优参数组合对岩石破裂声发射信号进行分解,得到一系列本征模态分量,结合相关系数筛选出含噪分量;然后利用小波包去噪算法对含噪分量进行处理;最后,将未处理的分量与降噪处理后的分量重构得到去噪后的AE信号。通过仿真和实测信号分析,结果表明与现有去噪算法相比,该算法能更好地去除AE信号中的噪声分量,保留信号的频域特征信息,可为后续利用声发射信号探究岩体破裂规律提供参考。     

烧变岩石受压破坏全过程声发射特征试验

在对烧变岩石受压破坏全过程进行声发射试验基础上,检测了岩样从加载直至破坏过程中的声发射活动,得到了烧变岩石破坏全过程的力学特征和声发射特征,探讨了声发射信号在岩石受力变形破坏过程中的变化规律,为正确利用声发射信息监测岩石破坏的前兆现象提供了理论依据。     

石灰岩声发射分析及源定位研究

在石灰岩样品表面布置多个传感器,通过接收声发射信号的时间延迟来实现损伤定位。首先,利用声发射仪器对石灰岩样品进行声发射断铅试验来获取声发射信号;然后,利用小波变换对获取的声发射信号进行去噪处理,接着用全相位频谱分析方法对去噪后的信号进行频谱分析;最后,通过最小二乘法来求取声发射源坐标,实现声发射源定位,并将定位结果与仪器自带的定位算法所得结果进行比较。通过定位结果的误差分析,得出了全相位频谱分析在声发射源定位这一领域的可行性。     

基于小波变换时能密度法的隧道空洞充填物识别研究

灰岩地区隧道修建过程中,制约安全高效建设的最主要因素是隧道掘进工作面前方的不良地质情况,加之溶洞、断层与破碎带等不良地质具有较强的隐蔽性,如何提高隧道短距离超前地质预报的判释水平显得尤为重要。为便于对地质雷达信号图谱特征进行定量解释,开展了基于时域有限差分法的正演模拟与室内物理模型实验。在小波变换与奇异性检测原理的基础上,构造了与地质雷达发射子波波形相似度高的雷达小波基,添加到小波分析工具箱中,提出了一种新的基于雷达小波基的小波变换时能密度法,将其应用于空洞充填物正演模拟与模型实验地质雷达信号的定量识别,并与波形分析法、Db4小波变换法和雷达小波变换法的识别结果进行比较。研究结果表明,波形分析法虽能有效识别空洞充填物的尺寸大小,但需通过反射系数等先验知识来确定空洞充填物的界面反射位于波峰或波谷;Db4小波变换模极大值法易得到地质雷达信号奇异点,但奇异点的提取位置与不同小波基的时频局部化特征有关,Db4小波变换法识别结果的相对误差约15%;雷达小波变换模极大值法与小波变换时能密度法的识别效果均较好,但小波变换时能密度法的分辨率更高,且不需选择最优尺度。当空洞充填物的尺寸大于电磁波波长时,小波变换时能密度法识别结果的相对误差小于5%。     

高分子材料声发射信号传播特性研究

以亚克力板为研究对象,通过断铅实验模拟声发射源,利用门限值和小波分析法对声发射信号进行去噪处理,分析声发射信号在高分子材料中振幅、能量等特征参数的衰减规律,得出不同角度声发射波的传播速度变化规律,进行线性定位实验来检验声波波速有效性,结果表明声发射信号波速具有较高精度。对高分子材料声发射信号传播特性的研究,为以后再高分子材料声发射故障源的准确定位奠定了基础。     

深埋采场压架切顶诱发井下泥石流形成机理与防控

灰岩地区隧道修建过程中,制约安全高效建设的最主要因素是隧道掘进工作面前方的不良地质情况,加之溶洞、断层与破碎带等不良地质具有较强的隐蔽性,如何提高隧道短距离超前地质预报的判释水平显得尤为重要。为便于对地质雷达信号图谱特征进行定量解释,开展了基于时域有限差分法的正演模拟与室内物理模型实验。在小波变换与奇异性检测原理的基础上,构造了与地质雷达发射子波波形相似度高的雷达小波基,添加到小波分析工具箱中,提出了一种新的基于雷达小波基的小波变换时能密度法,将其应用于空洞充填物正演模拟与模型实验地质雷达信号的定量识别,并与波形分析法、Db4小波变换法和雷达小波变换法的识别结果进行比较。研究结果表明,波形分析法虽能有效识别空洞充填物的尺寸大小,但需通过反射系数等先验知识来确定空洞充填物的界面反射位于波峰或波谷;Db4小波变换模极大值法易得到地质雷达信号奇异点,但奇异点的提取位置与不同小波基的时频局部化特征有关,Db4小波变换法识别结果的相对误差约15%;雷达小波变换模极大值法与小波变换时能密度法的识别效果均较好,但小波变换时能密度法的分辨率更高,且不需选择最优尺度。当空洞充填物的尺寸大于电磁波波长时,小波变换时能密度法识别结果的相对误差小于5%。     

突水过程煤岩破裂声发射实验系统的研究

为了监测煤矿突水,在不同应力速率下,针对不同含水量煤岩破裂声发射频谱存在差异的特性,基于数量化理论,采用可编程逻辑器件FPGA和低功耗微处理器MSP430研究设计了一套监测实验系统,本系统可以实现对矿井突水进行实时在线监测的目的.为了解决煤岩破裂声发射信号中含有各种干扰噪声和信号处理方面存在的问题,根据煤岩破裂声发射信号的特点,利用小波包变换对声发射信号进行了分解、去噪和重构,结果表明处理后的声发射信号更为清晰地反映了煤岩在不同含水量和不同应力速率下破裂时的变化特征,研究方法通过模拟样本实验取得了较好的效果.     

变粒岩破裂全过程声发射时频特性试验研究

通过变粒岩单轴压缩下声发射试验, 采集了应力-应变曲线与声发射数据。联合应力曲线, 总结了声发射积累计数和积累能量的演化特征。利用Welch谱估计法与小波能谱系数法分别对试件声发射信号功率谱密度及能量分布特征进行了分析。研究表明, 声发射积累能量比振铃积累计数能更好地预测岩石破坏; 在试件破坏前或产生较大裂纹时, 声发射信号峰值频率会有所下降, 其能量集中频段也在扩大; 在[78 kHz, 156 kHz]频段能谱系数持续增大且其值超过50%的声发射信号出现频繁的现象, 可作为试件破坏失稳的前兆信息。结合岩石声发射信号时频特性, 可为预测岩体破坏提供一种新思路。     

声发射测量原岩应力研究现状及进展

综述了声发射测量原岩应力的国内外研究现状和目前所存在的主要问题，结合信号处理小波分析方法的研究成果，说明了将小波分析引入到原岩应力测量的重要性，最后提出了基于小波分析的综合研究方法作为声发射测量原岩应力的进一步研究方向。     

煤岩破裂过程声发射时-频信号特征与演化机制

掌握声发射信号时-频域特征及其与煤岩力学性质间的本质联系是利用该方法预测、预警煤岩失稳的基础。以具有不同夹矸和原始裂隙煤岩压缩破坏声发射监测试验为基础,引入小波变换方法,结合数字信号分析、岩石力学等相关理论深入分析煤岩破坏过程声发射时-频信号演化规律,构建了裂纹扩展释放弹性能引起应力波的振幅、频率力学表达。结果表明:受所含弱夹矸或裂隙增加影响煤岩强度、弹性模量降低,峰后软化特征明显,声发射存在由低幅振荡向高幅脉冲转化的信号激增点,强度越高,能量信号幅值显著提高、累积总能量越多,波形幅值增加,信号波形两相邻波峰间隔时间增长,夹杂的小幅振荡波越少;db5和sym2小波基函数分别与激增点、峰值点时域波形相似度最高,更适用于煤岩声发射信号研究;试验所用煤岩声发射信号主频带为0～70 kHz,煤岩强度越低信号频率分布越宽泛,随所受应力升高信号频带分布范围逐渐向主频移动。弹性模量和裂纹扩展速率共同确定了应力波振幅的变化范围,裂纹尺寸决定了振幅和频率的变化趋势,裂纹扩展速率是决定应力波频率的关键参量,进而3个参量共同影响声发射信号时-频特征。试验结果建立了裂纹表征参量与声发射信号频率、幅值的定性描述,为提高声发射信号监测准确性提供了理论基础,开展该理论的定量化应用是后续研究工作的重点。     

岩石脆性断裂试验的声发射分析

对不同岩石进行单轴受压试验,并采集岩石受压全过程的力学特征和声发射特征.通过对不同岩石声发射信号和力学参数的对比分析证实,不同岩石的声发射特征是有区别的,岩石变形损伤的声发射特征曲线与应力-应变曲线存在关联特征,岩石声发射的kaiser效应是存在的.     

基于小波分析的超声波检测信号处理

利用小波变换分析超声波检测信号,判断岩石内部结构,物理力学性质。应用小波变换的多分辨率分析,对岩石超声检测信号进行了时频分析和处理。结果表明,小波变换可以去除信号中的噪声,并能聚焦到信号的任意细节,检测出信号的奇异性,判断岩石的完整、裂隙、节理和断层等结构特性。     

不同尺寸砂岩破坏全过程声发射主频分析

对直径相同、高径比不同的4组红砂岩试样进行了单轴压缩声发射试验, 获得了各试样的力学基本参数及试验全过程所释放的全部声发射原始波形信号, 在对每个声发射信号逐一去噪的基础上, 通过快速傅里叶变换提取其主频, 联合时频域共同分析尺寸效应对岩石力学性质及声发射信号主频特征的影响。结果表明, 随着高径比增大, 试样的脆性破坏程度明显, 破裂时的延性减弱;红砂岩声发射信号主频分布范围为10~175 kHz, 明显成频段分布;尺寸效应对声发射信号主频的影响主要体现在频段分布的差异上, 30~60 kHz、140~155 kHz和160~175 kHz为各尺寸试样所共有的频段, 其中30~60 kHz频段占比最大, 对应着岩石损伤演化的最主要破坏模式;岩石变形破坏过程中, 主频分布特征朝复杂离散方向持续转化。     

岩石循环加载和分级加载损伤破坏声发射实验研究

对循环加载和分级加载条件下岩石损伤破坏全过程的声发射规律和频谱特性进行了研究。结果表明,声发射与载荷变化或岩体变形破裂密切相关。循环加载过程中当载荷超过前期最大值时声发射信号增强,卸载阶段声发射信号随卸载过程逐渐减少,岩石的应力记忆特性具有明显的Felicity效应。分级加载时,当应力增加时声发射信号明显增多,应力稳定在低水平时基本不产生声发射信号;在高水平时,由于岩石内部损伤程度高,有零星声发射信号产生。岩石加载初期声发射主频较低,卸载阶段主频先增高后降低,恒载阶段主频最低,破裂阶段主频增高且主频带变宽,并出现次主频现象。