陳 沖，呂 震，劉 兵，王 風(fēng)，孔祥斌，李木森，2

（1.山東省超硬材料工程技術(shù)研究中心，鄒城 273500；2.山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250061；3.鄒城市地震局，鄒城 273500）

地震因其頻發(fā)性和破壞性，成為人類面臨的嚴(yán)重自然災(zāi)害之一。人類至今尚未完全掌握地震的孕育和發(fā)展規(guī)律，地震預(yù)報(bào)仍然是國(guó)際上未能攻克的重大科學(xué)難題之一。因此，研究新的地震活動(dòng)信息實(shí)時(shí)采集方法，對(duì)地震活動(dòng)信息進(jìn)行科學(xué)表征、計(jì)算和分析，探索地震的孕育和演變規(guī)律，為地震的短臨預(yù)報(bào)提供科學(xué)依據(jù)和定量判據(jù)，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究人員在與地震活動(dòng)相關(guān)的巖石力學(xué)、地球物理、地質(zhì)結(jié)構(gòu)和礦震監(jiān)測(cè)等技術(shù)領(lǐng)域開展了許多聲發(fā)射試驗(yàn)和理論研究，為地震監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)提供了重要的研究基礎(chǔ)［1－8］。

大量歷史記錄和震例資料表明，地下水的映震能力強(qiáng)，反映比較靈敏，與地震孕育和發(fā)生有著密切關(guān)系，是進(jìn)行地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)和科學(xué)研究的重要手段［9－12］。深井水位記震能力反映的地下應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)隨時(shí)間變化，作為地震前兆進(jìn)行地震預(yù)報(bào)是一種效果比較理想的方法［13］。但是由于水位觀測(cè)等記錄數(shù)據(jù)僅對(duì)強(qiáng)震有所反應(yīng)，對(duì)強(qiáng)震之前存在的小地震群的活動(dòng)反應(yīng)則不靈敏，因而不能滿足地震預(yù)測(cè)的技術(shù)要求。在廣泛調(diào)查和研究國(guó)內(nèi)外有關(guān)聲發(fā)射技術(shù)在地震活動(dòng)性和強(qiáng)震預(yù)測(cè)研究領(lǐng)域的應(yīng)用的基礎(chǔ)上，欲以井水作為聲發(fā)射傳感器聯(lián)接區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)的耦合介質(zhì)，采用水－聲耦合法將地震波信息經(jīng)深井水傳遞到設(shè)置的聲發(fā)射傳感器陣列。然后，由聲發(fā)射儀進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、降噪、存儲(chǔ)和分析，可以建立新的地震預(yù)測(cè)方法。

筆者采用一個(gè)模擬水井作為水－聲耦合機(jī)構(gòu)，用聲波發(fā)生器在水井底部激發(fā)AE模擬信號(hào)，通過(guò)井水傳遞后，由波導(dǎo)桿導(dǎo)入到前置放大器，最后被全波形聲發(fā)射信號(hào)分析儀接收。通過(guò)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析經(jīng)井水傳遞后AE模擬信號(hào)的波形特征，可以為研究水－聲耦合法在地震波信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用提供重要的試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

水－聲耦合機(jī)構(gòu)采用φ380mm×830mm鐵圓筒模擬水井，將AE信號(hào)觸發(fā)傳感器固定在圓筒底部中心，并將此傳感器與聲波發(fā)生器相連接。圓筒中加滿水后，用φ25mm×600mm的圓柱形波導(dǎo)桿插入水中，并固定。將AE信號(hào)接收傳感器固定在波導(dǎo)桿頂部，并將此傳感器連接到一個(gè)增益為40 dB的前置放大器，然后再與全波形聲發(fā)射信號(hào)分析儀相連接。試驗(yàn)裝置示意如圖1所示。

設(shè)置一個(gè)對(duì)比試驗(yàn)，即將AE信號(hào)觸發(fā)傳感器直接與接收傳感器相對(duì)接。這樣，通過(guò)聲波發(fā)生器發(fā)出的AE模擬信號(hào)不經(jīng)任何傳播介質(zhì)直接被接收放大后，導(dǎo)入全波形聲發(fā)射信號(hào)分析儀。試驗(yàn)裝置示意如圖2所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 模擬水井中接收AE模擬信號(hào)的時(shí)域、頻域分析

在模擬水井底部由聲波發(fā)生器發(fā)出頻率為150kHz、電壓Vpp為500mV的AE模擬信號(hào)。信號(hào)通過(guò)模擬水井系統(tǒng)傳遞并被前置放大器放大后，由全波形聲發(fā)射信號(hào)分析儀接收（記為試驗(yàn)1）。

圖1 模擬水井試驗(yàn)裝置示意

圖2 對(duì)比試驗(yàn)裝置示意

對(duì)比試驗(yàn)采用相同AE模擬信號(hào)，不經(jīng)任何傳播介質(zhì)直接被接收放大后，導(dǎo)入全波形聲發(fā)射信號(hào)分析儀（記為試驗(yàn)2）。此接收信號(hào)可近似視作僅被放大了的源信號(hào)。兩者信號(hào)數(shù)據(jù)經(jīng)Matlab軟件進(jìn)行時(shí)域分析；并經(jīng)FFT變換后，進(jìn)行頻域分析。結(jié)果如圖3所示。兩試驗(yàn)中接收的AE模擬信號(hào)的特征參數(shù)如表1所示。

表1 兩試驗(yàn)中接收的AE模擬信號(hào)的特征參數(shù)

由圖3及表1可以看出，通過(guò)模擬水井系統(tǒng)傳播后的AE模擬信號(hào)與源信號(hào)均為典型的突發(fā)型信號(hào)。但與源信號(hào)相比，AE模擬信號(hào)的幅度、振鈴計(jì)數(shù)、總能量均明顯減小。其中，幅度減小近99%，總能量減小近95%，振鈴計(jì)數(shù)減少約70%，這是由于AE模擬信號(hào)在水介質(zhì)中不傳播橫波，在經(jīng)井水傳播后表現(xiàn)為單一縱波的緣故。而AE模擬信號(hào)的持續(xù)時(shí)間與源信號(hào)相比增加約22%，這是由于AE模擬信號(hào)在模擬水井內(nèi)壁多次反射等導(dǎo)致的結(jié)果。

2.2 基于小波變換的AE模擬信號(hào)能量對(duì)比分析

小波變換以其良好的時(shí)頻局部特性可以把波形信號(hào)的特性分配到各個(gè)不同尺度的小波變換系數(shù)上，再通過(guò)對(duì)小波變換系數(shù)的分析與處理，能有效地從信號(hào)中提取有效信息。筆者從Daubechies小波中選擇較為常用的db5小波作為小波基，對(duì)試驗(yàn)1和試驗(yàn)2中接收的AE模擬信號(hào)和AE源信號(hào)進(jìn)行6級(jí)小波分解。各分解尺度的重構(gòu)波形信號(hào)時(shí)域圖及其對(duì)應(yīng)的頻譜圖如圖4，5所示。

圖4，5中每個(gè)分解尺度的信號(hào)都表示一定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)。其中a6為第6層低頻近似部分，d1～d6層為高頻細(xì)節(jié)部分。圖4可以看出，試驗(yàn)1中各分解尺度信號(hào)的持續(xù)時(shí)間均明顯長(zhǎng)于試驗(yàn)2；兩者d3，d4，d5的幅值較高。從圖5中可以看出，試驗(yàn)1的幅度在各分解尺度下均明顯小于試驗(yàn)2，但兩者在各個(gè)分解尺度下對(duì)應(yīng)的頻率分布是一致的。

聲發(fā)射信號(hào)是能量突然釋放的產(chǎn)物，能量反映了聲發(fā)射源結(jié)構(gòu)變化的劇烈程度，對(duì)門檻、工作頻率和傳播特性不甚敏感，所以常用于表征波源的內(nèi)在狀態(tài)以及波源類型的鑒別。兩試驗(yàn)中接收的AE模擬信號(hào)和AE源信號(hào)經(jīng)小波分解后，各尺度對(duì)應(yīng)頻帶所占的能量比例如圖6所示。

在圖6中，1，2，3，4，5，6，7分別代表分解信號(hào)d1，d2，d3，d4，d5，d6，a6?？梢钥闯?，不同尺度下的分解信號(hào)所占的能量不同。d3，d4，d5所占能量較高，是兩者信號(hào)構(gòu)成中的主要部分。由圖6及表1可以看出，雖然通過(guò)模擬水井系統(tǒng)傳播后的AE模擬信號(hào)（試驗(yàn)1）與源信號(hào)（試驗(yàn)2）相比總能量大幅下降，但各分解層的能量比例變化不大，和源信號(hào)基本一致。這說(shuō)明，在經(jīng)井水傳播后表現(xiàn)為單一縱波的AE模擬信號(hào)依然保持和AE源信號(hào)相同的內(nèi)在能量狀態(tài)。這對(duì)基于水－聲耦合法用聲發(fā)射檢測(cè)儀實(shí)時(shí)采集地震波信號(hào)十分有利。

3 結(jié)論

（1）采用水－聲耦合方法可以接收到模擬水井底部激發(fā)產(chǎn)生的聲發(fā)射模擬信號(hào)。

（2）經(jīng)模擬水井系統(tǒng)傳播后的AE模擬信號(hào)與不經(jīng)任何傳播介質(zhì)的AE源信號(hào)相比，其幅度、振鈴計(jì)數(shù)、總能量明顯下降，而持續(xù)時(shí)間則相對(duì)增加。

（3）經(jīng)模擬水井系統(tǒng)傳播后的AE模擬信號(hào)與不經(jīng)任何傳播介質(zhì)的AE源信號(hào)相比，表現(xiàn)為單一縱波，而且與AE源信號(hào)的能量成分比例基本一致。

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