黃志輝， 盧春燕， 沈國(guó)華， 謝濤， 金解放

（1.江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000；2.九江礦冶有限公司，江西 九江 332105）

0 引 言

聲發(fā)射（AE）是指材料局部因能量的快速釋放而發(fā)出的瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象[1].用儀器探測(cè)、記錄、分析聲發(fā)射信號(hào)和利用聲發(fā)射信號(hào)推斷聲發(fā)射源的技術(shù)稱為聲發(fā)射技術(shù)[2].現(xiàn)代聲發(fā)射技術(shù)起始于Kaiser在20世紀(jì)50年代在德國(guó)的研究工作，他發(fā)現(xiàn)多數(shù)金屬在應(yīng)力值達(dá)到上次加載最大應(yīng)力前不產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，當(dāng)加載應(yīng)力達(dá)到或者超過(guò)先前施加的最大應(yīng)力時(shí)，才會(huì)有大量聲發(fā)射產(chǎn)生，即Kaiser效應(yīng)[3-6].Goodman等對(duì)巖石進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)巖石材料的聲學(xué)特性也有對(duì)應(yīng)力歷史的記憶性[7].巖石的破壞過(guò)程是一個(gè)應(yīng)變能不斷累積、間歇釋放的過(guò)程，傳感器所接收到的聲發(fā)射信號(hào)（即彈性波）的能量信息可以充分反映巖石內(nèi)部裂紋擴(kuò)展和損傷程度[8-9].

聲發(fā)射信號(hào)的處理方法可分為兩大類：基于參數(shù)的分析方法和基于波形的頻譜分析方法[10].在參數(shù)分析方面，文獻(xiàn)[11]提出了巖石穩(wěn)壓時(shí)的AE事件率、AE事件數(shù)穩(wěn)定或增加平穩(wěn).文獻(xiàn)[12]闡述了在彈性階段試件產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)較微弱，主要變現(xiàn)為撞擊數(shù)較少、能量較低、振幅較小.在頻譜分析方面，聲發(fā)射信號(hào)數(shù)量較大，信號(hào)的提取是進(jìn)行聲發(fā)射頻譜分析的關(guān)鍵.文獻(xiàn)[13]對(duì)單軸壓縮條件下的巖石進(jìn)行了聲發(fā)射信號(hào)的頻譜分析，對(duì)其中32個(gè)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行FFT變換，得出了巖樣臨近破壞時(shí)主頻向低頻方向移動(dòng)的結(jié)論.文獻(xiàn)[14]通過(guò)對(duì)巖石破壞過(guò)程中的聲發(fā)射主頻的統(tǒng)計(jì)研究，結(jié)果表明，隨荷載增加，主頻出現(xiàn)波動(dòng).文獻(xiàn)[15]按時(shí)間順序共提取了540個(gè)能量較大的聲發(fā)射信號(hào)，對(duì)含水砂巖在破壞過(guò)程中的聲發(fā)射進(jìn)行頻譜特性分析，得出與自然狀態(tài)下的砂巖相比，含水狀態(tài)下砂巖整個(gè)加載過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)的主頻相對(duì)更集中，并且隨著加載得進(jìn)行，主頻有降低的趨勢(shì).本文對(duì)砂巖單軸加載至破壞的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行了聲發(fā)射信號(hào)采集，并結(jié)合應(yīng)力應(yīng)變曲線，對(duì)整個(gè)過(guò)程的聲發(fā)射參數(shù)和頻譜變化特征進(jìn)行了分析.

1 室內(nèi)聲發(fā)射試驗(yàn)

1.1 聲發(fā)射試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)裝置主要包括：RMT-150C型巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)、SAEU2S型全波形多通道聲發(fā)射檢測(cè)儀，試驗(yàn)設(shè)備連接情況如圖1.

圖1 室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)備連接示意圖

RMT-150C電液伺服剛性試驗(yàn)機(jī)可通過(guò)行程、位移、荷載以及不同組合形式、不同加載速率的控制方式，進(jìn)行單軸、三軸、間接拉伸及剪切試驗(yàn).基于Windows可視化操作平臺(tái)，可同時(shí)記錄載荷、應(yīng)力和應(yīng)變的大小.試驗(yàn)所采用的聲發(fā)射儀是由北京聲華公司生產(chǎn)的SAEU2S聲發(fā)射系統(tǒng)，此設(shè)備是由多個(gè)平行的檢測(cè)通道構(gòu)成的聲發(fā)射系統(tǒng).每一通道測(cè)量部件由聲發(fā)射傳感器、前置放大器及采集卡組成.該系統(tǒng)可同步采集幅度、能量、上升時(shí)間、振鈴計(jì)數(shù)、有效值電壓等參數(shù).

1.2 試驗(yàn)試件及設(shè)備參數(shù)設(shè)置

1.2.1 試驗(yàn)試件

試件選擇均勻性、穩(wěn)定性好的砂巖，經(jīng)過(guò)切割、打磨加工成10個(gè)直徑50 mm，高100 mm的圓柱體試件，其平行度、平整度和垂直度都能滿足試驗(yàn)要求.為盡量減少加載觸頭與試樣間的摩擦、試驗(yàn)機(jī)電子噪聲干擾以及人為活動(dòng)產(chǎn)生的干擾噪聲，在試樣的端部和與傳感器接觸部位均勻地涂抹少量黃油.

1.2.2 參數(shù)設(shè)置

試驗(yàn)采用等位移加載方式，加載速率設(shè)為0.002 mm/s.傳感器選用SR150M型探頭，工作頻率為 60～400 kHz，采樣頻率為 1 000 kHz，采樣長(zhǎng)度2 048，波形門限40，參數(shù)門限40，前置放大器增益40 dB，濾波器頻率100～400 kHz，聲發(fā)射采集與巖樣加壓同時(shí)開(kāi)始，并同步采集試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的聲發(fā)射波形信號(hào)直到試件被壓縮破裂，并用示波器實(shí)時(shí)顯示波形信號(hào).

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本次試驗(yàn)共對(duì)10個(gè)砂巖試樣進(jìn)行了單軸壓縮條件下的聲發(fā)射試驗(yàn)，分別對(duì)試件采集到的力學(xué)參數(shù)、聲發(fā)射參數(shù)和波形信號(hào)進(jìn)行了分析，限于篇幅，選取了其中試驗(yàn)效果較好的SR7-1試樣進(jìn)行分析，破壞的砂巖試件見(jiàn)圖2，應(yīng)力應(yīng)變曲線見(jiàn)圖3.

從圖3可以看出，砂巖的單軸壓縮變形基本可分為初始?jí)好茈A段（OA段）、彈性階段（AC段：其中AB段為彈性變形階段，BC為微裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段），塑性階段（CD段）和峰后破壞（D點(diǎn)以后段）4個(gè)階段.

圖2 破壞的砂巖試件

圖3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.1 砂巖破壞時(shí)的典型聲發(fā)射信號(hào)

波形是聲發(fā)射傳感器輸出電壓隨時(shí)間變化的曲線，它可以用示波器從前置放大器或者主放大器的輸出觀察到，也可以通過(guò)瞬態(tài)記錄儀或者波形記錄裝置記錄下來(lái).本次試驗(yàn)共采集到砂巖試樣聲發(fā)射信號(hào)16 200個(gè)，圖4為第7 829個(gè)（應(yīng)力峰值時(shí)）聲發(fā)射信號(hào)波形圖，可以看出砂巖破裂過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)為典型的突發(fā)型聲發(fā)射信號(hào)，上升段波形比較陡，而下降段呈現(xiàn)指數(shù)衰減振蕩，按其包絡(luò)線的形態(tài)呈現(xiàn)一個(gè)三角形.

圖4 聲發(fā)射信號(hào)

2.2 聲發(fā)射參數(shù)分析

在巖石受力壓縮變形直至破壞的整個(gè)過(guò)程中，巖石塑性變形過(guò)程，是非等時(shí)變化的.對(duì)于巖石聲發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)，主要是根據(jù)聲發(fā)射參數(shù)對(duì)應(yīng)時(shí)間的變化情況對(duì)巖石的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，而時(shí)間是監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)的一個(gè)基本變量.基于這種考慮，主要對(duì)單軸受壓加載巖石的破壞全過(guò)程、聲發(fā)射參數(shù)對(duì)應(yīng)時(shí)間的變化特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，根據(jù)壓力機(jī)記錄的應(yīng)力應(yīng)變和聲發(fā)射儀記錄的波形信息，通過(guò)時(shí)間參量將應(yīng)力和聲發(fā)射參數(shù)聯(lián)系起來(lái).

初始?jí)好茈A段：試樣中的原有微裂隙和張開(kāi)性結(jié)構(gòu)面逐步閉合，試樣被壓密，形成早期的非線性變形，曲線呈上凹型（對(duì)裂隙化巖石來(lái)說(shuō)較明顯），從圖5可看出，此階段累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)上升較慢，時(shí)間-累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線較平緩，從圖6觀察到，此階段聲發(fā)射事件率也較低，說(shuō)明在巖樣原生裂隙被壓密的過(guò)程中，隨著裂隙的閉合有少量的微弱彈性波持續(xù)釋放，但新裂隙并沒(méi)有大規(guī)模地出現(xiàn).

彈性變形階段：該階段的應(yīng)力曲線近似直線型，此階段累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)上升較慢，時(shí)間-累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線較平緩，聲發(fā)射事件有一定的增長(zhǎng)，可能與巖樣內(nèi)部微裂隙的進(jìn)一步發(fā)展有關(guān)，但聲發(fā)射事件率仍然較低.

在塑性變形階段：聲發(fā)射事件率急劇增高，聲發(fā)射曲線也急劇變陡，此時(shí)巖樣內(nèi)部的微裂隙不斷發(fā)展，大量新的裂隙產(chǎn)生并逐步貫通直至巖石破裂.尤其是塑性變形后期，聲發(fā)射信號(hào)非常強(qiáng)，達(dá)到最大值，主要表現(xiàn)為：聲發(fā)射事件多，能量高，幅度大.

峰后破壞階段：裂隙快速發(fā)展，交叉且相互貫通形成宏觀斷裂面，此后，巖石變形主要表現(xiàn)為沿宏觀斷裂面的塊體滑移，巖樣承載力迅速降低，但不立即降為0，表明巖石破壞后仍有一定的承載力.峰值后有一段時(shí)間內(nèi)，巖樣變形增加，但應(yīng)力基本不變的階段（即類似于屈服階段），此時(shí)的時(shí)間-累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線也較平緩，聲發(fā)射事件率也多處于相對(duì)較低水平，說(shuō)明此時(shí)的聲發(fā)射事件增加的趨勢(shì)有所減緩，出現(xiàn)這一情況的原因可能是巖樣內(nèi)部應(yīng)力重組，導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)的聲發(fā)射事件相對(duì)減少.

圖5 應(yīng)力-時(shí)間-累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)關(guān)系曲線

圖6 應(yīng)力-時(shí)間-聲發(fā)射事件率關(guān)系曲線

2.3 聲發(fā)射頻譜分析

采用快速傅里葉變換 （Fast Fourieer Transform）對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中采集到的110個(gè)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行了頻譜分析，圖7為其中一個(gè)聲發(fā)射信號(hào)的幅度譜.FFT能使計(jì)算離散傅里葉變換的乘法次數(shù)大為減少，被變換的抽樣點(diǎn)數(shù)N越多，計(jì)算的離散傅里葉變化的乘法次數(shù)越少，F(xiàn)FT原理如下：

分析結(jié)果表明砂巖的聲發(fā)射信號(hào)的頻率主要分布在140～180 kHz之間.為了研究砂巖聲發(fā)射信號(hào)在單軸壓縮破壞過(guò)程中的主頻變化情況，按時(shí)間序列共提取了110個(gè)聲發(fā)射信號(hào)，平均3.5 s提取一個(gè)，臨近巖石破壞時(shí)平均1 s提取一個(gè)，通過(guò)FFT變換求出聲發(fā)射信號(hào)對(duì)應(yīng)的主頻，從圖8中看出在達(dá)到峰值強(qiáng)度50%之前，主頻的變化無(wú)明顯規(guī)律，呈隨機(jī)變化，在峰值強(qiáng)度50%之后，主頻先下降后上升.在巖石破裂變形過(guò)程中，聲發(fā)射信號(hào)的分布是十分離散的，這可能是因?yàn)閼?yīng)力從一個(gè)區(qū)域轉(zhuǎn)移到另一個(gè)應(yīng)力相對(duì)較低的區(qū)域，應(yīng)力重新分配以達(dá)到較高水平所至，但塑性變形后期，主頻基本上是向低頻方向移動(dòng).

圖7 聲發(fā)射幅度譜

圖8 應(yīng)力-時(shí)間-主頻關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

（1）砂巖在單軸壓縮到破壞的過(guò)程中，大致經(jīng)歷了初始?jí)好茈A段、彈性階段、塑性階段和峰后破壞4個(gè)階段，在前兩個(gè)階段，聲發(fā)射數(shù)量相對(duì)較少，進(jìn)入塑性階段后，由于大量新的微裂隙產(chǎn)生，聲發(fā)射事件也急劇增加，到峰值破壞階段時(shí)達(dá)到最大，且峰后出現(xiàn)了類似屈服階段的性質(zhì)，主要可能是因?yàn)閼?yīng)力從一個(gè)區(qū)域轉(zhuǎn)移到另一個(gè)應(yīng)力相對(duì)較低的區(qū)域，應(yīng)力重新分配所致.

（2）在巖樣峰值強(qiáng)度50%之前，砂巖的聲發(fā)射信號(hào)主頻呈隨機(jī)變化，在峰值強(qiáng)度50%之后，主頻先下降后上升，整體向低頻方向移動(dòng).

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