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《东北大学》 2009年
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基于小波分析的岩石类材料声发射源定位方法研究

康玉梅  
【摘要】:声发射活动性可以反映材料内部的损伤演化状况。利用声发射技术对岩石类材料破坏过程进行实时监测,研究其在加载条件下的内部损伤,是目前材料破坏研究领域的重要方法。声发射事件发生的位置是材料或结构发生损伤和变形局部化的区域,而损伤程度与该位置声发射的能量释放率有着必然的联系。声发射信号包含了微破裂的位置、模式、震级(强弱)和能量释放率等重要的损伤信息。但是,由于声发射信号的复杂性和非平稳特性,采用传统的信号分析理论及方法难以对有用的信息进行全面的解读,因而使得声发射技术的研究和应用受到了很大的限制。本文借助小波分析方法,研究声发射信号处理和分析技术,对于更准确地反演声发射源的信息具有重要的理论意义和实际应用价值。 本文采用室内试验、理论分析和数值模拟相结合的方法,研究通过声发射监测岩石类材料的损伤规律,并针对声发射信号精度不足的问题,以小波分析为手段,在获取大量的声发射试验数据的基础上,基于小波分析对声发射信号进行去噪处理和时延估计,改进时差定位算法,得到更为精确的声发射源信息,提高声发射监测的有效性。主要研究内容有: (1)利用声发射技术对岩石类材料的单轴压缩破坏过程进行实时跟踪监测,分析损伤的产生、损伤演化以及最终破坏过程的声发射信号特征,监测岩石试样在受压破坏的不同阶段声发射信号的活动情况,揭示岩石类材料损伤破坏的机理。利用相对累积声发射数和相对累积释放能量对岩石类材料破坏进行损伤表征,分析两种表征方法的非一致性。并运用RFPA3D进行岩石类材料破坏过程的声发射数值模拟,与声发射试验结果进行对比。 (2)针对声发射信号的非平稳特性,将自适应滤波和小波分析算法相结合,构造一种基于小波变换的自适应滤波器模型,通过将小波变换所分解出来的噪声成分作为自适应滤波器的输入,可以最大限度地滤除与原始信号有重叠频谱的多余噪声,为声发射信号处理提供一个行之有效的滤波降噪的方法。 (3)针对声发射源定位方法中初始值选取影响定位精度和收敛速度的问题,提出一种基于最小二乘的Geiger优化迭代定位算法。利用最小二乘算法的估计特性,有效地解决Geiger迭代算法的初始值问题,保证算法的收敛并且提高迭代算法的收敛速度,并通过计算机仿真结果证实该算法的有效性。 (4)基于小波分析研究声发射信号时变功率谱密度的估计方法。运用小波时频能量分析技术,得到声发射信号时频能量分布图。根据能量在不同时间和不同模式波上的分布不同,对比不同的传感器,得到同一模式、同一频率的波的时延估计,进而实现声源更为精确的时差定位,为通过小波分析识别声发射源提供有效途径。 (5)利用小波多尺度分解对原始声发射信号进行分解,使接收到的波形能够分解成具有单一模式的波形,提取分解后相应频带的小波系数,继而利用具有单一模式的波形进行相关性分析,通过互相关技术研究声发射信号的时差问题。岩石声发射试验验证基于小波互相关技术的时差定位方法的有效性。 本文的研究,为利用小波分析进行现场声发射数据分析与处理、有效地进行信噪分离、准确反演声发射源信息及岩体的损伤监测提供更为可靠的手段,提出的方法有效地提高了声发射源的定位精度,对预测预报岩体受损变形过程的发展趋势和规律有重要的现实意义。
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