典型岩石破裂产生次声波试验研究

1、典型岩石破裂产生次声波试验研究1引言次声波足频率在0.0120 hz的声波叫它的來 源既仃c知的，也仃木知的。次声波因频率低血不 易被衰减,能任空气中传输很远的距离,因此，国 际上研究人员将其作为自然界中地匪、火山喷发、 雪曲、台凤、泥石流等灾害预警的重要指标。夏亚 琴等在北京观测到从2002-2008年间世界范围 内大r7级的地震产生的界常次声信号研究发现 85%的地農前130 d就产生界常次声信号;火山 活动的次声研究可以追溯到1883年,krakatoa火山 爆发时低频声压信号在全球范围内都被收今、丁 n后来国外很多学者通过布设次声传感器监测来研究 火山活动情况，发现大多数的火山由于气体

2、的快速 释放、岩石或气压的扰动、岩浆自由液面变化等而 产生高能量的次声信号美国13家海洋与大气管 理局早期研究发现雪崩产生15 hz的次声信号, js来欧洲-些科学家研究通过次声探测系统预报'§ 崩叫国内中科院山地灾窖研究所章书成等向认为, 泥4 ；流形成和运动中的声发射过程中存在次声成 份,井发现泥石流次声信号的卓越频率在515 hz 之间,研制了泥石流次声警报器作为泥石流早期预 警系统的-个垂要部分。然而.至今还没有关于岩 仃破裂或者岩质滑坡破坏的次声观测研究的文献报 道。大址的滑坡实例表明岩质边坡（滑坡）从开 御潛到最终的失稳破坏往往只经历较短的时吗 表现出明显的突发性

3、特征.尤其是在边坡中存任倾 向坡外的贯通性结构面时.这种现象更为显著。ill j：破坏前的变形所经历的时间短、变形斌较小而很 难采用传统的变形测屋的方法來监测和预辭岩质边 坡的失稳破坏刊。虽然这样的破坏过程是短暂的 但从开始变形到鼓终破坏需要经刃早期的微破裂发 展的过程,而这种微破裂常常伴随着弾性波的发射. 这种发射被称为声发肘冋。目前,声发射（acoustic emission, ae）是研究脆性材料失稳破裂演化过程的 一个良好匸具。因为它能连续实时地监测到荷技仆 用下脆性材料内部微裂纹的产心和扩展，这是直他 方法不具备的特点.已被广泛应用于研究岩石、混 凝i等材料的破裂及失稳机制p_，2,

4、o李庶林導g对 不同加载条科f岩石材料破裂过程的声发射特性进 行了研究，将声发射探测系统的带通滤波器设逹为 100- 1 000 hz采样频率是20khz分别对灰岩、 黄饮矿、白云岩等务种岩仃试样进行了声发射特性 测试并对典型声发射波形进行了 fft<fast fourier transform,快速傅立叶变换分析,得到对应的卓 e硕率为960 hz v / "3,何満潮型4w廿爆过朴 的声发射进行了研究.不过他们关注的信4范田是 <- 30-400 khz的高频部分。然而.由于声发射信 号发生在岩<i材料内部而且频率离,在向外部传播 的过程中由于岩石内部微裂隙的存

5、在而容易被衰 减或苕发生畸变同时也会因声发射探测器与岩彳1 材料的耦介状况不佳而受到噪声的i扰。声发射技术金现场岩仃休）稳定性监测应用 还存在诸多限制。而次声波独特的性质使得探测时 无须考虑次声波探头和岩石礪超耦合情况以及微 裂隙的存任而使次声波信弓产生衰减甚至畸变其 探测结果受外界扰要远远低f其他频段声波。同 时,次声波也不会被水相空气吸收。因此，岩石受 载变形破裂过程中是仰存在低频次声发射现球以及 其具有的特性是个值得探索和研究的新课题。木 文将重点对岩石在破裂过程中发射的次声波信号及 待征频率分布范围等特性做出详细的研究.为今后 进一步地深入研究握供理论基础。2试验材料与设备如图1所示岩

6、石单轴加载条件下次声发射试 验装置主要包桔单轴加载材料试验机和次声探测与 分析系统两部分。ill f次声波不易被空气吸收而能 传播很氏的距离，所以区别$声发射探测试验的地 方是次声传感器与加载7 h i试样之间不是紧密耦合 状态。图i单轴加裁岩石发肘次声豉试验架构框图 ficj illiktratinf： stictch of (he ie test system (or rocks under unhxhl loadinc2.1岩石试样制备及单轴加我系统选取了6种典型岩石试样，分别是花岗岩.灰 岩、红砂岩、砂岩、f枚岩及泥岩。试验岩石试样 严格按照国际岩石力学学会规定（isrm）进行加匚 其

7、岩样的尺寸为50 rnmx50 mmx 100 mm：甲轴试验加载设备是wi-30型油压液用式材 料试验机.址大轴向载荷为300 kn.2.2次声探测系统为了研究岩石微破裂发射的次声波特性.设计 并研制了-套数字化岩石次声波探测系统。如图2 所示.该系统主要由次声传感器、实时数据采集系 统、数据分析模块、文件记录模块及显示模块。杵先,次声传感器将物理次声信号转换成为电 压信号，该信号被线性模拟放大器放大和低通滤波 器滤波后被模数转换器（adc ）采样并被转换成 数字信号。在该实时数据采集系统中采用-片12 位分辨率、最大采样率为100 khz的adc （ad1公 nj 的 ad1674） o

8、该系统是以 fpga < field programmable gate array,现场可编程阵列）为逻辑 和时序精准控制核心的一个全波形数据采集、岛速k«il11 a 一roi 9 jiinx f i1iotitriif 八 内廉l sb2 0 .”;八 ibh wtiu n 兀 aix *10 10 10： 10* ：/hx00次“化几；昨十*卜0 5 h传输的城入式系统见图2)为保证采样忙右波 形数摒的完整fl a fpga中便用vcrilcg hdl语 /实现了敦通逆fifo (firetinfimtouu先入先出) 绒 a：l* 和 fsm < finite

9、mite machine, fjlw状态机 控制adc采样和救攥传输井行工作.实时数州采 集磁'八i界贬间采用usb 通用串fj总线 > 传 输力式.瓜高速和j达12 mbps.内部發入usb2j0 梭的徹押制bc8051 f34o实现了敷抑;彌 系蜿与计 贰机的usb传输以及数拥住lcd显示模块i.的实 时y示控制蘇统対< f们试样受找过程产q的次. 液則w以独也丈件的形式保存.供后续数字次声波 佑号的处理1i分析硏宛(见第3部分).ism (finite smc mcxii:>iici l f 4* 叽：! hh.：八”升.iir< hrii in lir

10、it 川小hiwrf“ arvhllecturv or inrnixuund cicicctlnsn xkm次声件偷購采用中科薩声学所研制的电界型次 声传感蛊insas2008型(图3(a) h k-3 db频誓响 应苞i科为0j015 - 80 hz 睾源于lnsas2008 no.00082说明|5> (见图3(b).内酢集成俞賈放大 零.在诔系缆中前置放、盘增益设置为20db,主 放大君增錢为20db.乐统增証则为40db無適滤 波爲的載止頻率设计为50 hz.柩捋奈至期特采样 定理，本系魏设置采样频車为512 hz3数据处理与分析方法3.1佑号的小波阖vi去崛处刖在 个实际佑号的

11、处理过程中.噪声往往崔彫 衲洱分析结果的个不町避免的in戳“凶此，为 r提髙和改«故搦分析结杲的性能首先采用r小 波w值a叹的方法对様始故7忙时进fl 滤波处 理.在址近十多年.小波歿檢由于它优越的佶号处 理性能而成为k噪的匝姜匸氐 小波分析e广泛应 用于很多领域的敷学 特别恵* 1b号处理沌域. 而倍号去噪仅肚小波分析的基本应用之-汕尢，：山，w 3茂声後抿待卅及他寧晌2心汁ffl" i nrruunk soenrund llx frequenc? chuniclerktlcx小波去顷的力法仃模极大值左顷小波阖伉去 呢和小波包2、呢氏中旳伉夫呢2为繭刖力法实 现简单.do

12、noho彎吊在1994年曲次提幽了小波创 值去噪力法.讣见5kmn5-18.基于小波刚值去坯理论力法.本研究中的次声 仏号去陨处理q8过 wtlab中的 维小波fljja 呢咸数，“m r. a ''谟函敷耍3个力面的多 数选取:小波雄的选样：阈位化力fi!的选样： 網值的确定或者繼值选样坡则为了恰为地对次声波侑号进行去陨处理.恨州 岩f i次声fp号与小波墓的形状的hi tttt、小波堆的 囊支性、对称性及取正交件.逸择j" sym8小波业 恨九syiris小筱墓对勺次声倍号近血車片丿、为 加商斯皎声的标准正疲伉号进行小波阖值去呢来瀚 定水波分解与巫构层费.根州sn

13、r <佑噪比)的比 较评估见农1)加终确疋分斛匝构层故为4扯然5层分倂与匝构的仏環比虽臥 但这样会把频率 大于10 hz的倍号全部过滤抻laj没仃保全次声頻帝 的怙号.阖(ft化方程选样为软倒值方程：wfftr选 择显为豪优漬测芟fit的值hcunsurc理则，是sure 规则的种dwt是离故乍列的小波芟換.iwt是小液逆 竇換.”为原始佶号. 畑是小波分解后佶号.thresholding壘小浚.值处刖过fh 怨恥iw 刖后小波佑号m/)是沁拓佑号.號个去噪 过程叮以衣达为" 旳 > "；(刀 w叫 > 町(刀_!±2 «</)(

14、1)& i 对麻 f-kpbtt?rw l! tt x*#- 10dh (fill « f；, i；成衍頁伯 sjjf (flhitile i s：'"millies idler denwhimcorcxpndl喈 s dmicrcnluuvelh decompyllbn levekoru sdne sd申uluhhf f10 dh12j4s67ktt/ub111139i606sjis 032 921 9<b2s%2616 5522151353i5jd332加时博a叶空换ii卜频分析由于岩石次声倍号是仲吋交.參平也的隨机 过程.所以传统的力法.如fft

15、 (快違博上叶芟換. 井不适令这类佑号的分析.因为fft假设恃分析的 信号是的时何不芟的和定信号.所以不适合对岸总 定信号的分析.对于參平财号.住住采用时频分 析法进行，j处刖-师时傅上叶atshort-timc riuricr tiansfbnn. stft)肚 种较常用*总定仏 号的时频分析方法® 2". stft时频分析方法能冋 时体现出时域和频域内怙巧的対部侍征.兀堆本廉 理是将个时域平空侑号由分成若t个小区间"毎个"、区间的伯号认为 祁坚平总的.然后财不同时刻 <区间)的班时段佑 号进行博立叶芟换.jft后w到由鼻段倍号构成的时 空谓阵.

16、在时刻/的s7/7 k达为j777u./)- j kr)*.(r-/)e /avx <2)式中：”()为由于的个小区何楚 xr)*(r-/>的结！r,那么分析曲”的改费就会改交 所冇小区间的分布侑况叫心)为絆过小波去噪后 的次声波佑号.本呦究中.次声怙右的j777圧適过mttlab功 陡两数莎)实理i数犯采样花为512hz. 毎个故攔包k度为512.根期硼yfs)函故劈故 选择要求.将曲函故选样为512点hamming爾適 过stft芟换后f【接得到9时何对応的频率二維分 布彎高线图.33 ikil振伶次数本试柴中届il振铃次ft类宦于声发射技术”刊 届计振铃次st反映材料的劇州

17、放.適过6：时域 空何设疋凶位对趙过谏阖tf的怙右脉冲个数进fr统 il 姑加.得到 振ttkcardc.acjcomulitive ring- don count). it；力向“川旳有效次声傅号.同时 还吋反映大辆浚次声佑号脉冲出现的次ft -图4为次声发射kfl lht冲与縱值描述.为了有 效去除耳境噪声的f扰(包括空r扰动、机械振如 转动等)旳位线e根扎坏境本底仿右鄉伉水半设卫州4次声发11事件瞧冲'j m ffiel|44 lnlnisnund cm b«hn nenl pulsex nnd ihrrxhoh4试验结果本文分别对花岗岩、灰岩、砂岩、红砂岩、千 枚岩及

18、泥岩6种孰型特石(毎伸类型3个样品进 疗了加戏试鉴井对klnv分别处理s分析.为了 选样个合适的ardc mff. fi先必狈对试弊环境 f本底次声佶号进fr测和处理分析.m后恨堀偌大幅度値抉定ardcmi值.细“、威以；的处 理与分析以及岩石试验.选取030(归-化栩度値 作为诙环境篆ft卜的ardc mfft较为合适.图5(a)和图5(b)分别农不滤波前的坏境本底声波怙巧及时何频率”布分析侑况,图5(c)、 图5(d)分別昱示逮波后的坏境本次衣声怙巧及时 何频牟分布分ww况.在圏5(a)、5(c)中所并 坐标为数搦点.数搦点的时间间隔为1/512 5.纵坐i.0叭哄o.40j映 211 .

19、4h .6 - 11111105m 101)05 15 «<1 20 (mid 25 000 jo w(lttkaul比八苗七片0木初用庇*. x*ib605040 3d fr® 2d10io a> jo 40 sohm aaimag “ mt； £ 0净木“；个八圧庇«.由图5町知.实环境本加一分布平缰或份奴无灾出频审或分.濒度小于 15 db.图6超花询特试样次声侑号测试9分析处理结 果图 伽)图中衣示了花岗岩试样翊产生次声笳 号(经小波滤波后)的全波形圏实线和累计振 铃计数曲线礎线人图&h)图拦$图6(日川瞅声花 号经stft时

20、频分析后的时何频率分布图.由图 6(a)町以淸晰地发理.花岗岩试样仆加我过用中霁 次产生炖度次声脉冲佶号.由图&b)d析发现， 次声爭杵主要须率分布在2 4 hz之间，累计振铃 次故为40次.出规h：弓的创大强度约130db图7 是采用冋样方法对2足岩试样的次声佶号测试4时 频分布分析结果.由阍7可见,泥岩在加毁过程中也傩产生小jft :;门 争件,ii次声信号g;共£*分布在囁 段3 - 6 hz.衣2址采用相同测试分忻手段对6类 主要岩石的分析结眾由?. 2发观朴石破裂产生次 声佶号的符征频主要是分布在2-6 hz之 间.且与岩石岩性无亞接关联产生次声规模剜与 岩们的烦畛

21、竹关.wfste-h a/db6(1l 145001030 ju 40 mlwo/i(<0泌m戈揄*木战h"；时购侍右伯«5、境車忙 讥分折1-5 anu xbc recullx of b borutoo bucknund xiu i标为佰号的ul化im lit (ft 图5(b)中了图5個) 相对应的次卢仏右经stft芟換后的时频分布图 jiyzk£!.'n,;llnjou<10000 row miooo 4oix» al:ardc*yj. i. r(.h204060(10汰川殆*科时給汁冷许枷馆inlnixound emkxhn

22、of ru nlle «i mpiex und dulu unulxlxvsb1206u4<l<j ioikw 3)000 ju m 411000 sum zuxilai ；x »!. jt /ih：j4ardc tr.h m-/db2040 r« »0 idowm/»hi次川"料时和«7呢松试料发射次出常匕段數itt分斯fl7 infnisoouncl cm &k)n of muclxione%im ptexu nd daiu u nub 恥k2 b賈以型岩和试林产乍次丙谶打杵tuble 2 chu r

23、ucterlxtlcc of inrnisnnic xlul of xtx hploi 1 rockx冰“/hzg"试样r2-4402 s9f化以v；4 6202* m w v；3-5io枷w2 s403a trwy；4 615i4 613r 3 862* mw2 6202 thvi4 612r mv；2 622r f rtv!2 84r wv;4 6&rmv!3 662° u v!3 s32*u；3 -6ii3*2 423 -6s5结论卜 岩右在费形戟裂过程中存在发射灾;波现欧.环境本底次庐木平佑号的频率分布半缓. 忙号輛度分布均匀.而实测容石试样加找过程的次 声

24、佑号明显存在辆度灾交、增大的事件.这点有利 f对试验中究芟的次声怙号yj效讥别.产生这种较 半缓的低轴低频的环境次声佑号“j徒址试柴环境0 空v的扰动、加朝装賈的振动或者转动、电f学顷 声及固竹的険用伯号.適过这波及阈值处理时以有 效地障低顼曲岱右対仃农次声怙右的彩响.林石哦 裂产生灾出次声信号的现象为岩石体总定性监 测研究捉供了 种新的技忒f段具有酿要的感义.2不论是锁岩还圧软岩.其产生的突电次声 镐号卓越频率祁分布金2 -6hz间.岩1.破眇、牛 灾出次声佑号的频率分布特征为岩石（体）稳定性 早期监测fit®的研究扯供合理的ii标佑号特征判（3在第构祁较完镀的馆况f.硕岩产生灾出 次声仏冲的数j5h即值较软若劣得多. 根甥岩石试样的岩性分 服试射理 mat值的对 比发规.金給构郴时较完炊的萌扯卜i侦哎爲的特 n 如花岗岩.灰林产生灾出次声估号的次蛙较 硕度低的如泥岩.十枚岩和 产生的次故耍多得 多.亦说明了脆性蔽餵題将易产丫次声波佑号.对 于冋岩性试样.由于个休何存在給构垦界.故 阿5会竹所区别.（4）勺出到次声频率範、寢賊小.传播亚离远 及抗皿能力银彎周有特征.为空间放5r方便.试 范中的撫测誥9岩石试样保持约2 m的空间亚离 而葺儀舗梢台，试验结果农明.岩杠战裂产住次声 波仁号能远叩离传输（