冲击荷载下岩石声发射信号能量特征的小波包分析

1、振 动 与 冲 击第29卷第10期J OURNAL OF V IBRAT I ON AND SHOCKVo. l 29N o . 102010冲击荷载下岩石声发射信号能量特征的小波包分析基金项目:国家自然科学基金资助项目(50678028, 51078043 收稿日期:2009-11-27 修改稿收到日期:2010-02-01第一作者凌同华男, 博士后, 教授, 博士生导师, 1968年8月生凌同华, 廖艳程, 张 胜(长沙理工大学土木与建筑学院, 长沙 410114摘 要:根据冲击荷载作用下岩石声发射信号具有非平稳的特点, 利用小波包分析技术对冲击荷载作用下岩石声发射信号的能量分布特征进行研

2、究。首先, 简略地介绍了小波包分析的特点。其次, 基于M ATLA B 对岩石声发射信号进行小波包分析, 得到了冲击荷载作用下岩石声发射信号在不同频带上的能量分布图。最后, 总结了冲击荷载作用下岩石声发射信号频带能量的分布规律, 重点讨论了冲击荷载作用下不同岩石对声发射信号频带能量分布的影响。分析结果发现岩石的物理力学性质影响冲击荷载作用下岩石声发射信号频带能量的分布规律, 即岩石密度越小、纵波波速越小、弹性模量越小, 冲击荷载作用下岩石声发射信号的优势频率就越集中, 且优势频率有往低频发展的趋势; 单轴压缩强度和抗拉强度对冲击荷载作用下岩石声发射信号能量在优势频率内分布的影响不明显。关键词:

3、冲击荷载; 声发射信号; 小波包分析; 能量分布中图分类号:TD 313 文献标识码:A声发射是岩石破裂过程中的一种物理现象, 利用声发射信号研究岩石工程的稳定和安全, 用来预防采矿灾难, 取得了一定的成效。上世纪60年代以后, 随着电子技术和声发射检测设备的不断完善, 声发射技术的应用领域在日益扩大, 许多国家都开展了这方面的工作, 特别是在传感器设计和接收与数据处理系统的优化设计、地应力的预测等方面, 都获得了新的进展。目前, 岩石声发射技术不仅应用于采矿工程, 如监测和预报矿柱、顶板及边坡的安全稳定, 而且已扩展到水电、石油、岩土工程中的边坡稳定、隧道监控等领域。对声发射信号的分析处理是

4、声发射技术能够得到更好的发展和推广的重要条件, 声发射信号具有瞬态性和多模式特点, 属于典型的非平稳信号。以前分析和处理声发射信号, 常用传统的参数分析和频谱分析, 频谱分析方法可以分为两大类:以Fourier 变换为基础的经典谱分析和以非Fourier 分析为基础的现代谱分析。近年来, 随着科学技术的发展和进步, 特别是新的数学工具的出现, 信号的时频表示法已广泛应用于工程技术领域, 用小波变换处理非平稳随机信号已激起了人们很高的热忱。但用小波变换来处理声发射信号还处于起步阶段, 许多研究者正对此做一些有益的尝试和探索。如:Gang Q i 1介绍了最新发展起来的基于小波变换方法的信号处理技

5、术在复合材料中裂纹行为研究中的应用, 将其与传统的声发射技术进行了比较, 结果证实了基于小波变换方法的分析结果比利用传统分析方法得到的结果更接近于实际情况。H yun joJeong , Young . Su Jang 2用小波变换方法对板结构中声发射信号的频散特性进行分析, 较好地得到了波到达传感器的时间, 实现了声发射源的精确定位。李录平、邹新元、唐月清3利用小波变换来求声发射信号的特征参数, 其准确率与域值电平的取值大小无关, 可大大提高声发射信号特征参数检测的准确性。赵奎, 王更峰, 王晓军等4通过单轴加载岩石破坏全过程声发射试验, 根据Kaiser 效应原理采用参数法确定了K ais

6、er 点。在此基础上, 首先采用小波包频带分解方法, 对岩石声发射K aiser 点信号的能量分布特征进行了研究, 分析了砂岩声发射信号的不同频带能量分布规律, 得到了Ka i s er 点特征频带能量百分比大丁相邻点的重要结论。骆志高、王祥、李举等5根据冲压模具失效产生声发射信号的特点, 确定失效信号的特征参数; 以小波包分析技术提取模具信号的能量特征向昔, 把各频带内的能量与总能量之比为特征参数; 再对各频带的特征参数进行遗传算法生成新的优化特征参数, 以概率一致性原理为基础, 通过模糊数学可能性理论得到特征参数的隶属度函数, 进而对冲压模具的工作状态进行判定。毛汉领、王向红、黄振峰6在声

7、发射的应用场所中, 采集的声发射信号很多都经过界面传输。主要研究构成不连续界面的两个构件尺寸对信号传输的影响, 利用小波包技术分析信号在不同频率范围内的衰减特性。研究表明, 不连续界面对信号存在衰减, 构成界面的构件相对尺寸的大小对衰减影响较大, 构件尺寸相差较大时, 由于波在小构件上的多次反射作用, 使得采集信号能量反向增强, 信号畸变程度增大。尽管众多专家和学者做了大量工作, 但是很少有专家和学者采用小波包对动载作用下的岩石声发射信号频带能量特征进行分析的, 本文针对冲击荷载作用分析, 总结了不同岩石在动荷载作用下的声发射规律, 为系统地探索岩石(体 在动载作用下的行为机体提供有价值的分析

8、方法。1 小波包分析及特点短时傅里叶变换对信号的频带划分是线性等间隔的。多分辨分析可以对信号进行有效的时频分解, 但由于尺度是按二进制变化的, 所以在高频段其频率分辨率较差, 而在低频频段其时间分辨率较差, 即对信号的频带进行指数等间隔划分。小波包分析(W avelet PacketAnalysis 能为信号提供一种更加精细的分析方法, 它将频带进行多层次划分, 对多分辨分析没有细分的高频部分进一步分解, 并能够根据被分解信号的特征, 自适应地选择相应频带, 使之与信号频谱相匹配, 从而提高了时频分辨率。因此小波包分析具有广阔的应用价值。2 声发射信号的采集本次试验, 采用S H PB 试验系

9、统对三种岩石(花岗岩、石灰岩、矽卡岩 进行了冲击荷载作用下声发射试验, 冲击荷载由冲砣冲击入射杆而产生。并采集了多组信号, 下面取每次试验声发射起始点的信号进行分析(每种岩石取两组信号, 信号具有相同的特征 。表1为对试件做物理力学实验的一些指标结果。其中花岗岩有轻微破碎, 节理不太发育; 石灰岩青灰色, 有轻微破碎, 节理裂隙不太发育; 矽卡岩深灰色, 节理不太发育, 总之取样岩石完整性较好。下图1为冲击荷载作用下声发射信号的振动幅值时程曲线, 其中y11、y12为花岗岩, y21、y22为石灰岩, y31、y32为矽卡岩。实验中花岗岩、矽卡岩的采样频率为4 107H z , 而石灰岩采样频

10、率5 106H z , 为便于分析, 被分析信号的采样频率必须一致, 本次小波分析中, 对石灰岩信号重新采样(重新采样并不改变信号的本质特征 重新采样的频率为4 107H z 。图1 冲击荷载作用下岩石声发射信号的幅值时程曲线F i g . 1T he a m pli tude vs . ti m e curv es of the acoustic e m i ssi on signa ls under i m pact load i ng表1 试件的物理力学实验指标Tab . 1The s ub stance of physi cal and m echan ical test spec i

11、 m en indexes岩石名称密度(g c m -3纵波波速(m s -1 弹性模量/GPa 单轴压缩强度/MP a 抗拉强度/MP a 花岗岩2. 5445408. 8867. 87. 03石灰岩2. 6653071143. 311. 49矽卡岩3. 5540212. 6473. 78. 923 小波包分解中各层频带划分将冲击荷载作用下岩石声发射信号进行小波包分解时, 根据采样定理7, 信号的采样频率为4 107H z ,(27H 信号分解到第8层, 对应的最低频带是0k H z-78. 125kH z 。根据小波包算法, 其对信号分解后各层重构信号的频带范围见表2。4 冲击荷载作用下岩

12、石声发射信号频带能量的表征将被分解信号分解到第8层, 设为S 8, j 对应的能量为E 8, j , 则有7, 8, 10:E 8, j =S 8, j2d t =mk =1x j , k2(1式中:x j , k (j =0, 1, 2, , 28-1, k =1, 2, , m (m为信号离散采样点数 表示重构信号S 8, j 的离散点的幅值。设被分析信号的总能量为E 0, 则有:128振动与冲击 2010年第29卷E 0=28-1j=0E 8, j (2 各频带的能量占被分析信号总能量的比例为:E j =E 8, j /E 0 100%(3式中:j =0, 1, 2, , 28-1。这样

13、, 由式(1 、式(2 、式(3 可以得到信号经小波包分解后不同频带的能量, 从而可以找出冲击荷载作用下岩石声发射信号在传播过程中能量的变化规律。表2 小波包分解系数重构信号各层频带范围Tab . 2The range of frequen cy bands of reconstructed si gna l by wave l e t packe t coefficient层数S i , 0S i, 1S i, 2S i , j -1S i , j10-1000010000-2000020-50005000-1000010000-1500015000-2000030-25002500-500

14、05000-7500 15000-1750017500-2000040-12501250-25002500-3750 17500-1875018750-2000050-625625-12501250-1875 18750-1937519375-2000060-312. 5312. 5-625625-937. 5 19375-19687. 519678. 5-2000070-156. 25156. 25-312. 5312. 5-468. 75 19687. 5-19843. 7519843. 75-2000080-78. 12578. 125-156. 25156. 25-234. 37519

15、843. 75-19921. 87519921. 875-20000注:表中S i , j 表示第i 层第j 个小波包分解系数重构信号, j =0, 1, 2, , 2i -1, i =1, 2, , n 。表中频率单位为(KH z5 冲击荷载作用下岩石声发射信号的小波函数的选取及小波包分析选择合适的小波基是进行信号处理、分析的重要环节, 因为不同的小波基分析同一个信号会产生不同的结果8根据声发射信号小波基选择的经验9, 在目前比较成熟的和常用的小波基中选用对称的双正交小波和有一定近似对称性的正交小波。经过筛选, 选择Dau bec h ies 小波族作为岩石声发射信号处理的小波基, 该小波系

16、列具有较好的紧支撑性、光滑性和近似对称性, 在声发射信号处理中得到较广泛的应用, 比较适合岩石声发射信号处理。该小波系列按正整数N 具有不同的序列(dbN, 目前在声发射信号的处理中用得最多的是db3和db5, 本次分析选用db3小波基进行信号处理。用db3为小波基函数对图1所示的冲击荷载作用下岩石声发射信号分别进行深度为8层的小波包分析, 根据式(1 、式(2 、式(3 编制计算程序并把计算结果即信号各频带能量的百分比统计于表3, 各信号的主频带能量百分比分布见表4, 各信号不同频带能量分布图见图2 。图2 冲击荷载作用下岩石声发射信号各频带的能量分布F i g . 2T he energy

17、 d istri buti on of frequency bands fo r t he acoustic e m i ssi on si gna l s under i m pact load i ng129第10期 凌同华等:冲击荷载下岩石声发射信号能量特征的小波包分析表3 冲击荷载作用下岩石声发射信号在不同频带的能量分布百分比统计T ab . 3T he percen tage of energy for acoustic e m issi on signals under i m pac t load i ng at d ifferen t frequen cy bands 频带/k

18、 H z被分析信号y11y12y21y22y31y320-78. 1253. 966. 2216. 0658. 22. 4327. 9678. 125-156. 2542. 3115. 5129. 2223. 694. 35. 45156. 25-234. 3752. 686. 912. 771. 232. 351. 14243. 375-312. 544. 9952. 9710. 749. 966. 626. 85312. 5-390. 6250. 061. 240. 270. 040. 545. 67390. 625-467. 852. 242. 444. 440. 7923. 1426.

19、 07467. 85-546. 8750. 444. 431. 820. 464. 161. 36546. 875-6252. 97. 5728. 234. 4841. 9513. 65625-703. 12500. 010. 01000703. 125-781. 250. 020. 030. 10. 040. 070. 07781. 25-859. 3750. 020. 090. 080. 020. 10. 07859. 375-937. 50. 040. 070. 10. 040. 380. 18937. 5-1015. 6250. 110. 570. 110. 030. 313. 231

20、015. 625-1093. 750. 111. 233. 350. 671. 873. 691093. 75-1171. 8750. 010. 20. 20. 020. 170. 121171. 875-12500. 090. 342. 240. 2711. 013. 961250-200000. 020. 170. 260. 060. 500. 536 冲击荷载作用下岩石声发射信号频带能量分布规律从图2和表3可以看出, 冲击荷载作用下三种岩石(6组 声发射信号表现出以下规律:(1 信号的总能量不断衰减, 高频成分比低频成分衰减更快。(2 从图2和表3可以看出, 冲击荷载作用下岩石声发射信号

21、能量分布较广泛, 但能量主要分布在0kH z-625k H z , 从表3中可知6个信号在0k H z-625k H z 频带的能量百分比分别为99. 58%, 97. 29%, 93. 55%, 98. 85%, 85. 59%, 88. 15%, 并且在625kH z-937. 5k H z 段的能量基本为0, 937. 5kH z-1250k H z 有一定的能量分布, 再往上的频带能量也基本为0。表4 主频带能量百分比分布规律Tab. 4The percen tage of en ergy for the do m i nan t frequen cy bandsy11y12y21y2

22、2y31y320-312. 5/kH z93. 9481. 6158. 7993. 0815. 741. 4312. 5-625/k H z 5. 6415. 6834. 765. 7769. 8946. 75(3 从表4可以看出冲击荷载作用下花岗岩、石灰岩声发射信号在0k H z-312. 5k H z 频率带能量占绝对优势, 矽卡岩声发射信号在0kH z-625kH z 频率带1z 灰岩信号频带能量基本为零, 但矽卡岩声发射信号频带能量却有增长趋势。7 结 论(1 以往, 岩石声发射的试验研究都集中在静荷载下岩石的声发射特性, 很少有关于岩石在动载下的声发射试验研究。本文在SH PB 试验

23、系统上对三种岩石(花岗岩、灰岩、矽卡岩 进行了冲击荷载下的声发射特性研究, 总结岩石在动载下的声发射信号的能量分布规律, 对爆破和机械震动作用下的声发射监控有参考价值, 由此会为频繁爆破和大型机械作业的岩土工程施工, 监控的方面提出指导性的意见。(2 基于MATLAB7. 1对三种岩石在冲击荷载作用下的声发射信号进行深层次的小波包分析。结果发现, 冲击荷载作用下岩石声发射信号能量主要分布在0k H z-625k H z 频率段。(3 基于MATLAB7. 1对三种岩石在冲击荷载作用下的声发射信号进行深层次的小波包分析。从表1的物理力学试验指标可知:岩石的密度、纵波波速、弹性模量具有矽卡岩>

24、;石灰岩>花岗岩; 单轴压缩强度矽卡岩>花岗岩>石灰岩; 抗拉强度石灰岩>矽卡岩>花岗岩。可得结论岩石密度越小、纵波波速越小、弹性模量越小, 冲击荷载作用下岩石声发射信号的优势频率就越集中, 且优势频率有往低频发展的趋势; 单轴压缩强度和抗拉强度对冲击荷载作用下岩石声发射信号能量在优势频率内分布的影响不明显。参考文献1Q iG ang . W avelet based AE characteriza ti on o f composite mate rialsJ.NDT&Einternationa, l 2000, 33:133-14. 2Jeong H,

25、 Jang Y S . W ave l e t analysis of plate w ave propag ati oni n co m pos ite l am i na tesJ.Composite Structures , 2000, 49:443-450.3李录平, 邹新元, 唐月清. 小波变换在声发射信号特征参数检测中的应用J.振动与冲击, 2001, 20(2:67-68. 4赵 奎, 王更峰, 王晓军, 等. 岩石声发射K a i ser 点信号频带能量分布和分形特征研究J .岩土力学, 2008, 29(11:3082-3088.5骆志高, 王 祥, 李 举, 等. 利用声发

26、射信号的特征分析对冲压模具的状态判别J.振动与冲击, 2009, 28(3:186-189.6毛汉领, 王向红, 黄振峰. 基于小波包分析的声发射信号界面的衰减研究J.振动与冲击, 2008, 27(9:139-141.7凌同华, 李夕兵, 王桂尧, 等. 爆心距对爆破振动信号频带能量分布的影响J.重庆建筑大学学报, 2007, 29(2:53-55. 8胡昌华. 张军波, 夏 军, 等. 基于MAT LAB 的系统分析与设计-小波分析M.西安:西安电子科技大学出版社, 1999:265-266.9张 平, 施克仁, 耿荣生, 等. 小波变换在声发射检测中的应用J.无损检测, 2002, 24

27、(10:436-442.10凌同华, 李夕兵. 地下工程爆破振动信号能量分布特征的小波包分析J.爆炸与冲击, 2004, 24(1:63-68.130振动与冲击 2010年第29卷resu lts , the structural anti collisi o n characteristics of the o ffshore w i n d tur b i n e and its str uctural defor m ati o n characteristics i n the co llision process w ere analyzed , and t h e infl u e

28、nces o f d ifferent stri k i n g eneergy on the str uctural da m age w ere a lso discussed.K ey w ords :sh i p co llision ; o ffsho re w ind turb i n e ; num erica l si m u l a ti o n ; struct u ral anti co lli s ion characteristics(pp :122-126Application of wavelet packet m ethod in frequency band

29、energydistribution of rock acoustic e m ission signals under i m pact loadi n gLI N G Tong hua , LI AO Yan cheng, ZHANG Sheng(Schoo l of C i v il Eng i nee ri ng and A rch itecture , Chang sha U n i versity of Sc i ence and T echno logy , Changsha 410114, Chi naAbst ract : Based on t h e character o

30、 f non stationary signa, l t h e feature of energy d istri b uti o n in acoustic e m issionsi g na ls under i m pact l o ad i n g w as i n vesti g ated by m eans of the w avelet packet m ethod. F irstl y , the c haracters of w ave let packet ana l y sis w ere introduced . Secondly , ei g ht si g nal

31、s w ere analyzed by using w avelet packet based on so ft w are M atLab and the change o f energy distri b ution curve in different frequency bands w as obta i n ed . Fina ll y , t h e la w of ener gy distri b ution o f acoustic e m ission signals under i m pact loading w as ana l y zed , and t h e i

32、nfl u ence o f different rocks on frequency band energy distri b ution of acoustic e m issi o n si g na ls under i m pact load i n g w as princ i p ally explored . The results sho w ed that frequency band ener gy distri b uti o n o f acoustic e m ission si g na ls under i m pact loadi n g is affecte

33、d by d ifferen t rocks , in o ther w or ds , if the density o f roc k is less , the speed of the l o ng itud i n alw ave is l o w er ; and the e lasticity m odu l u s is less , the do m inant frequency bands o f acousti c e m issi o n signals under i m pact l o ad i n g beco m e m ore energy intensi

34、 v e and tend to be l o w er ; uniax ial co m pression strength and tensile strength have noth i n g to do w ith t h e do m inant frequency bands of acoustic e m ission si g na ls under i m pact loading .K ey w ords :i m pact l o ad i n g ; acoustic e m issi o n si g na ls ; w avelet packet analysis

35、 ; energy distri b u ti o n(pp :127-130Shock res ponse of a nonlinear tangent packaging syste m wit h rotationGAO D e 1, 2, LU Fu de2(1. Packag i ng Eng ineer i ng Instit u te , Zhe jiang U niversity , N i ngbo 315100, Ch i na ;2. Schoo l o f L i ght Industry , H arb i n Comm ercia lU niversity , H

36、arb i n 150028, Chi naAbst ract : During transportati o n of a packag i n g ite m, the ite m absorbing shocks often occurs r o tation behav ior . Atangent non linear cushion m odel and a v ibrati o n equation w ere established w ith the consi d eration o f rotati o n of the packag i n g syste m and

37、t h e coupling bet w een its deg rees of freedo m. Then , num erica lm et h od w as used , boundary surfaces of its shock response spectr um and da m age boundary w ere obta i n ed under a half w ave sine pulse shock cond ition . The effects o f frequency ratios , v iscous da mp i n g coefficients , co m pression li m it rati o s , and env ironm en tal featur