岩石破坏声发射前兆研究现状及评价指标体系构建_牛睿.pdf

2022年第46卷第12期46声 学 基 础声 学 基 础coustics FoundationA文献引用格式：牛睿.岩石破坏声发射前兆研究现状及评价指标体系构建 J.电声技术，2022，46（12）：46-49，63.NIU R.Current status and construction of evaluation index system of acoustic emission precursors of rock failureJ.Audio Engineering，2022，46（12）：46-49，63.中图分类号：TB535 文献标识码：A DOI：10.16311/j.audioe.2022.12.010岩石破坏声发射前兆研究现状及评价指标体系构建牛 睿（华北水利水电大学 地球科学与工程学院，河南 郑州 450046）摘要：在外界荷载作用下，岩石内部微裂纹不断萌生、扩展直至相互贯通，使得岩石出现变形破坏，进而引发工程事故。对此，阐述基于声发射技术开展的岩石破坏前兆方向的研究进程。先论述学者基于声发射时域参数开展的岩石破坏前兆信息的研究进程，进而论述学者通过声发射 b 值、分形维数、熵值及损伤变量等统计参数开展的岩石破坏前兆信息的研究进程。在此基础上，提出全新的岩石破坏声发射多统计参数评价指标体系的构建步骤，为岩石工程灾变预警体系的建立提供参考。关键词：岩石破坏；声发射；时域参数；统计参数；评价指标体系Current Status and Construction of Evaluation Index System of Acoustic Emission Precursors of Rock FailureNIU Rui(College of Geosciences and Engineering,North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou 450046,China)Abstract:Under the action of external load,microcrack inside the rock continue to germinate,expand until they penetrate each other,causing deformation and damage to the rock,which in turn causes engineering accidents.This paper describes the research process of rock failure precursor based on acoustic emission technology.Firstly,the research process of rock failure precursor information carried out by scholars through the time domain parameters of acoustic emission is discussed.Furthermore,the research process of rock failure precursor information carried out by scholars through statistical parameters such as acoustic emission b-value,fractal dimension,entropy value,and damage variable was analyzed.On this basis,a new construction step of rock failure acoustic emission multi-statistical parameter evaluation index system is proposed,which provides reference for the establishment of rock engineering catastrophe early warning system.Keywords:rock failure;acoustic emission;time domain parameters;statistical parameters;evaluation index system0 引 言岩体的稳定性与岩石工程的顺利运行密切关联。岩石在外部荷载作用下，内部微裂纹不断孕育、萌生、扩展贯通，直至出现变形失稳，从而导致岩爆、岩质边坡失稳等工程灾变。精确识别岩石破坏前兆信息并构建系统的评价体系，能在一定程度上为岩石工程的及时加固和长期稳定运行提供有效参考，具有重要的实践与理论价值。岩石在外部荷载作用下产生变形失稳，在该过程中以弹性波的形式释放应变能。人们将此特征称为声发射（Acoustic Emission，AE）现象1。声发射技术作为一种动态无损检测手段，能以较低的成本同步监测岩石内部裂纹的动态扩展演化过程，在岩体的稳定性监测上具有一定优势且得到了广泛的应用。因此，可以进一步开展基于声发射技术的岩石破坏前兆方向的研究。目前，研究人员主要通过声发射时域参数和统计参数的变化规律开展岩石破坏前兆信息方向的相关研究。在此基础上，本文根据前人研究成果提出了一套新作者简介：牛 睿（1995），男，硕士在读，研究方向为岩石力学与岩土工程。2022年第46卷第12期47Acoustics FoundatioN声 学 基 础声 学 基 础的岩石破坏声发射多统计参数评价指标体系的 构建步骤。1 岩石破坏声发射前兆信息研究现状1.1 岩石破坏声发射时域参数前兆信息研究现状岩石在失稳破坏前，声发射活动通常会进入高峰期。当声发射活动由高峰转为连续下降时，岩石通常发生宏观破裂。事件数、幅值、振铃计数以及能量等，是基本的声发射时域参数指标。它们的变化特征能够在一定程度上反映声发射活动的强弱程度。研究人员通常采用多个声发射时域参数对岩石内部的破裂情况进行定量分析。刘慧等2采用巴西劈裂试验结合实时声发射监测，研究冻融循环作用对红砂岩劈裂损伤力学特性的影响，使用声发射振铃计数和累计能量对不同冻融循环次数作用下岩样的冻融损伤程度进行表征。在临近荷载峰值前，各岩样主裂隙开始贯通，岩样内部单位时间的损伤达到峰值，声发射振铃计数达到最大值且累计能量短时间内陡增到更高数量级。该现象可作为不同冻融循环次数的红砂岩破坏前兆特征。李安强等3采用声发射振铃计数率、声发射能率、声发射平静期以及岩石扩容点进行岩石破坏声发射前兆信息的多指标对比分析，结果表明，以上指标均能对岩石失稳破坏进行有效预测。而且，作为岩石破坏的预测指标，声发射振铃计数率和声发射能率最优，声发射平静期现象次之，再次为岩石扩容点。刘先林等4对预制双裂隙白砂岩试样进行了单轴压缩声发射试验，通过分析幅值、振铃计数、绝对能量等声发射时域参数的方差和自相关系数来研究各试样的临界慢化现象。结果表明，可将各声发射时域参数的方差和自相关系数的陡增作为各岩样临近脆性破坏的前兆信号。作为岩石破坏前兆信号，方差比自相关系数更稳定可靠。徐子杰等5基于大理石在单轴压缩试验中四个变形阶段对应的应力值，对岩样进行四组蠕变加载试验，研究不同应力水平作用下岩样蠕变变形破坏的声发射前兆信息。结果表明，只有在后两个阶段，对应的高蠕变应力水平作用下，岩样在蠕变破坏前才会出现声发射事件数和能率的激增，发生突发式失稳破坏。陈康等6使用 RMT-150C 系统对红砂岩进行单轴加载和分级加载/卸载短时蠕变试验，分析不同应力状态下岩样声发射幅值和事件率等时域参数变化特征的异同点。结果表明，在这两种应力状态下，加载初期的声发射幅值与事件率变化规律相近，但事件率仅在岩样变形失稳临界点前陡增，而幅值在岩样进入加速蠕变阶段与变形失稳临界点前均呈显著的变大趋势，表明作为红砂岩破坏声发射前兆参数，声发射幅值比事件率效果更好。宋朝阳等7采用声发射技术对粒度不同的弱胶结砂岩进行了单轴压缩试验，结果表明，在岩样临近失稳破坏前，各岩样的声发射振铃和幅值均出现短时激增。随着粒度的减小，声发射幅值、振铃计数与持续时间均呈增加趋势，岩样趋于更显著的脆性破坏。孙雪等8对初始围压不同的花岗岩开展三轴卸荷试验，结果表明，当岩样出现扩容现象时，内部裂纹开始不断扩展贯通，形成宏观破裂。在该过程中，声发射振铃计数率无显著波动规律，难以找到准确的岩样破坏声发射前兆点，但声发射累计能量在该过程中由缓慢的渐进式增大转换为瞬时激增。这一转折点可以作为岩样破坏预测的前兆时间点。1.2 岩石破坏声发射统计参数前兆信息研究现状上述研究人员主要分析了不同加载方式下岩石破坏阶段声发射时域参数的前兆信息，并取得了一定的研究成果。但上述研究成果未能反映岩石破坏过程中岩石内部微破裂尺度、裂纹扩展的不规则度、岩样的损伤程度以及裂纹类型变化趋势等多个岩石破裂失稳机制的重要因素，难以找出客观准确的岩石破坏声发射预警时间。针对这些问题，为了能更全面准确地识别岩石破坏的声发射前兆信息，研究人员在声发射时域参数的基础上，由上述角度结合地震学、分形理论、统计学等构建了声发射 b 值、分形维数、熵值、损伤变量、RA 值、变异系数等统计参数指标，并开展了进一步研究。赵建军等9为研究具有较高单轴抗压强度岩石在不同应力路径下的声发射 b 值规律，选用英安岩开展了相应试验。根据声发射 b 值临界值的取值方式得出此类岩石的 b 值临界值，并将声发射 b 值骤降且临界值小于 0.6 作为英安岩岩样在该试验中的岩石破坏声发射前兆。朱香港等10基于声发射振铃计2022年第46卷第12期48声 学 基 础声 学 基 础coustics FoundationA数率和 b 值等参数研究花岗闪长斑岩的破坏前兆特征。花岗闪长斑岩在临近破坏前，声发射振铃计数率在大范围内反复震荡且声发射 b 值先出现“断崖式”骤降后再出现“波动中值”。该现象可当作岩石破坏的声发射前兆信息。高保彬等11对砂岩和泥岩进行了单轴压缩声发射试验，表明对于不同破坏类型的岩样，在临近峰值应力前分形维数达到最大值，在之后均产生突降现象，且脆性破坏岩样分形维数的骤降时间比塑性破坏的短。该特点可作为不同破坏类型岩石的破坏前兆特征。史宏财等12对高温预损伤后的煤岩进行了三轴压缩蠕变声发射试验。随着温度升高，煤岩预损伤增大，其分形维数整体亦呈增大趋势，煤岩的破坏类型由脆性破坏转为脆-韧性破坏特征。高温预损伤后的煤岩在进入加速蠕变阶段前，分形维数均由动态稳定向减小发展。该过程中的转折点可作为煤岩破坏声发射前兆特征点。龚囱等13为探索红砂岩蠕变破坏预测方法，开展了分级加载条件下的红砂岩蠕变声发射试验，选取稳态蠕变速率法估算岩样的长期强度并采用固定时间间隔内的声发射幅值作为样本计算岩样的分形维数。结果表明，当应力水平低于岩样长期强度时，幅值分形维数呈速率较慢的递减趋势；当应力水平高于岩样长期强度但低于破坏阈值时，幅值分形维数呈递增趋势；当应力水平达到破坏阈值时，幅值分形维数在加速蠕变前呈速率较快的递增趋势，在临近加速蠕变变形破坏前，幅值分形维数出现连续快速下降。该特征可作为红砂岩蠕变破坏的显著前兆信息。而幅值虽然在临近加速蠕变破坏前出现连续高值，但在每一级未达到设定应力水平的加载阶段，声发射幅值亦出现连续高值，且在每一级减速蠕变阶段和等速蠕变阶段变化趋势不显著，不宜作为红砂岩蠕变破坏的关键声发射前兆特征。王崔林等14对灰岩开展了巴西劈裂和单轴压缩这两种加载模式下的声发射试验，声发射事件数、能量、累计能量等声发射时域参数能在一定程度上反映岩样在不同加载条件下的内部损伤破坏过程，但没有显著的前兆规律，在此基础上，基于分形理论研究灰岩损伤破坏过程中声发射关联维数 D2的变化规律。结果表明，在不同的加载条件下，D2值在岩石损伤破坏过程中均呈整体递减趋势且在岩样临近破坏前达到最小值。该特征可作为灰岩变形破坏的声发射前兆信息，给岩体声发射动力灾害监测提供了一定参考。顾义磊等15通过页岩三轴压缩声发射试验构建了基于声发射 RA 值的分形维数。当分形维数首次突降时，岩石进入失稳状态。魏嘉磊等16对含孔花岗岩进行了双轴加载条件下的声发射试验，将声发射事件数、声发射能率、声发射累积事件数以及声发射累积能量等基本的声发射时域参数与基于声发射事件计算的声发射 b 值和熵值结合起来开展综合分析，研究更适合当作岩石破坏判据的声发射参数。结果表明，各声发射时域参数均有明显的破坏前兆特征。其中，虽然声发射累计能量和累计事件数曲线有更直观的前兆点，但熵值的前兆信息是最先出现的，更适合应用于工程灾变预警。王春来等17对花岗岩进行了真三轴压缩声发射试验，基于声发射事件时间熵值和空间熵值的计算结果，分析了花岗岩损伤破坏全过程的声发射时空演化规律，并以耗散结构理论验证了该过程中声发射时空熵值演化特征是岩石内部微裂纹扩展贯通由无序向有序发展的结果，声发射事件时间熵值和空间熵值的骤降现象预示着岩爆即将出现。张庆森等18对三种不同类型的盐岩进行了单轴压缩声发射试验，基于声发射时空演化规律和损伤变量研究各岩样破坏全过程的损伤演化特征，并将损伤稳定演化结束时的应力作为工程安全预警阈值信号。李鹏等19对砂岩进行了分级加载下的单轴压缩蠕变声发射试验，通过声发射事件数构造的损伤变量对岩样蠕变损伤演化过程进行定量分析。结果表明，损伤变量在岩样加速蠕变阶段出现的陡增前兆预示点早于临近加速蠕变变形破坏前的应变陡增前兆预示点，能对砂岩蠕变变形破坏进行有效预测。王泽鹏等20以不同粒度的砂岩为研究对象，开展了单轴压缩声发射试验。结果表明，在轴向荷载加大至岩石所能承受的应力阈值时，声发射进入爆发期阶段。在该阶段，声发射累计振铃计数呈激增趋势且高 RA 值显著增多并出现峰值，岩样呈显著的张拉破坏。随着粒度的增大，该现象更加明显。因此，可将 RA 值的短时激增视为砂岩破坏的前兆信息。甘一雄等21对花岗岩进行巴西劈裂声发射试验，2022年第46卷第12期49Acoustics FoundatioN声 学 基 础声 学 基 础使用声发射 RA 值和 AF 值构建了评估岩石破裂程度的 r 值指标。在此基础上，基于 r 值构建了变异系数 CV(r)，通过与声发射统计参数 b 值进行比较，提出当变异系数 CV(r)大于 1 时，岩石进入破裂 失稳阶段。2 岩石破坏声发射评价指标体系构建步骤研究人员在岩石失稳破坏过程中声发射时域参数和统计参数的前兆信息研究上已取得大量的研究成果，对深入剖析岩石内部破裂失稳机制和工程灾变预警体系的建立起到了初步的借鉴作用。然而，上述研究成果多偏向于定性研究，难以对复杂应力条件下工程岩体的失稳破坏预警提供系统化的指导。对于岩石工程的声发射监测预警，需要将室内声发射试验与工程现场声发射监测相结合，基于室内小尺度实验构建一套能进行量化分析的评价指标体系。下面提出新型岩石破坏声发射评价指标体系的构建步骤。构建该评价指标体系的第一步是确定更符合现场工程的实体评价对象。在室内试验中，研究人员大多对完整岩样进行不同加载方式下的声发射试验，然而岩石工程灾变主要是由于裂隙岩体的损伤变形而出现的局部失稳破坏。因此，对裂隙参数几何分布特征不同的预制裂隙岩体进行室内声发射试验，更贴合实际工况。第二步是根据统一的评价标准初步筛选合适的评价指标。为了得到更高精度的岩石破坏预测结果，选取的评价指标需要能够反映岩石破裂的微观机制。由前人研究结果可知，对声发射统计参数进行岩石破坏多指标定量分析，能从更全面的角度反映岩石的破裂机制，且声发射统计参数在岩石破坏前兆预警效果上大多优于基本的时域参数。因此，可以采用声发射统计参数作为初步的评价指标，建立岩石破坏声发射评价指标体系。第三步是统一各评价指标的计算标准。如果每个指标都有不同的计算尺度，就难以进行定量对比分析。目前，研究人员在声发射统计参数前兆信息研究上都有各自的计算标准，得出的前兆值和预警时间难以直接对比。因此，在岩石损伤破坏全过程中，可以根据数据量的多少，以固定数量的事件为一组，对声发射 b 值、分形维数、熵值、损伤变量、RA 值及变异系数等统计参数进行滑动计算，使得各统计参数在时间尺度上能一一对应，这样能够量化评估各统计参数的变化趋势差异性并进行岩石破坏预测效果的优劣性对比。第四步是确定最终的评价指标并对各评价指标进行预警效果的权重分配。首先通过定量对比分析找出不同岩性、不同加载方式下声发射统计参数的前兆优劣性。具体表现为，研究岩石临界失稳破坏前各统计参数的变化规律和突变速率，并对比各统计参数前兆预示点对应的具体时间和前兆值等。在此基础上，结合岩石破裂机理的多个角度，筛选出每个角度相应的最优统计参数并将它们作为最终的评价指标。最后对各评价指标进行前兆预警效果的权重配比。基于以上四个步骤，能够构建一套室内小尺度岩石破坏声发射多统计参数评价指标体系。该评价指标体系削弱了单一指标受某种偶然状况的影响而造成前兆预警的不精准，有较强的实用性。将该评价指标体系与目前流行的深度学习模型等相结合，能进一步建立岩石破坏声发射预测模型。通过岩石工程中大量的现场数据对各项评价指标的前兆预警判定依据和配比值检验校正，最终建立有效的岩石工程灾变预警体系。3 结 语随着我国岩石工程的高速发展，岩质边坡失稳、隧道围岩失稳等工程灾变的及时有效预警变得愈发重要。研究人员从声发射时域参数和统计参数出发，对岩石破坏的声发射前兆信息进行了深入研究。在此基础上，本文提出了全新的室内小尺度岩石破坏声发射多统计参数评价指标体系的构建步骤，能够为岩石工程的长期稳定性监测和灾变预警体系的建立提供一定的参考。参考文献：1 苏承东，翟新献，李宝富，等.砂岩单三轴压缩过程中声发射特征的试验研究 J.采矿与安全工程学报，2011，28（下转第 63 页）2022年第46卷第12期63Voice TechnologY语 音 技 术语 音 技 术5 结 语双麦克风语音增强技术便于小尺寸、低功耗产品的开发，因此受到越来越多的关注。传统的双麦克风语音增强技术一般采用全向麦克风进行声信号采集，单只麦克风采集到的声信号不具备空间指向性。矢量语音传感器可以采集声矢量信息，具有良好的“8”字形指向性。将其应用于双麦克风语音增强技术，可以有效提升语音增强性能。本文将矢量语音传感器与基于相干函数的双麦克风语音增强算法相结合，提出了一种基于矢量语音传感器的双麦克风语音增强技术，并对其进行了指向性仿真和语音增强性能实测分析。结果表明，基于相干函数的双麦克风语音增强算法具有良好的指向性和语音增强性能。利用矢量语音传感器代替全向麦克风，可以取得更优的指向性和语音增强效果。参考文献：1 LOIZOU P C.Speech enhancement：theory and practiceM.Florida：CRC press，2013.2 王良.基于相干函数双麦克风语音增强算法的改进 D.西安：西安电子科技大学，2015.3 侍艳华，冯杰，周瑜.一种基于 MEMS 技术的声矢量传感器 C/声频工程学术交流年会，20154 赵龙江，冯杰，冯晖，等.用于空气声测量的质点振速传感器 J.声学学报，2015（4）：598-6065 惠俊英，惠娟.矢量声信号处理技术 M.北京：北京国防工业出版社，2004.6 YOUSEFIAN N，LOIZOU P C.A dual-microphone speech enhancement algorithm based on thecoherence functionJ.IEEE Transactions on Audio，Speech，and Language Processing，2012，20（2）：599-609.编辑：郭芳园（2）：225-230.2 刘慧，蔺江昊，杨更社，等.冻融循环作用下砂岩受拉损伤特性的声发射试验 J.采矿与安全工程学报，2021，38（4）：830-839.3 李安强，张茹，艾婷，等.花岗岩单轴压缩全过程声发射时空演化行为及破坏前兆研究 J.岩土工程学报，2016，38（增刊 2）：306-311.4 刘先林，范杰，朱觉文，等.单轴压缩下岩桥脆性断裂的临界慢化特征 J.水利水电技术（中英文），2022，53（3）：166-175.5 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