CN107727744B - 用于岩石力学三轴试验的声发射源定位方法及*** - Google Patents

用于岩石力学三轴试验的声发射源定位方法及*** Download PDF

Info

Publication number
CN107727744B
CN107727744B CN201710978572.0A CN201710978572A CN107727744B CN 107727744 B CN107727744 B CN 107727744B CN 201710978572 A CN201710978572 A CN 201710978572A CN 107727744 B CN107727744 B CN 107727744B
Authority
CN
China
Prior art keywords
acoustic emission
arrival time
source
time difference
acoustic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201710978572.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107727744A (zh
Inventor
周子龙
芮艺超
周静
陈卫军
董陇军
蔡鑫
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Central South University
Original Assignee
Central South University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Central South University filed Critical Central South University
Priority to CN201710978572.0A priority Critical patent/CN107727744B/zh
Publication of CN107727744A publication Critical patent/CN107727744A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107727744B publication Critical patent/CN107727744B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/14—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object using acoustic emission techniques
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/44—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
  • Geophysics And Detection Of Objects (AREA)

Abstract

本发明公开了一种用于岩石力学三轴试验的声发射源定位方法及***，考虑声发射在三轴加载油缸与内部试样界面上的折射效应，根据斯涅尔定律建立声波传播的路径方程，计算从声发射源传播至传感器所用的时间，通过计算到时差矩阵与实际测量到时差矩阵之间的差值，获得声源位置坐标。本发明为岩石力学三轴试验的声发射准确定准提供了新方法，考虑了三轴试验时试件受压内部裂纹产生声波，其路径在不同介质接触面处发生改变的情况。同时还可用于声发射传感器和声源位于不同介质，且介质为曲面介质的其它情况。

Description

用于岩石力学三轴试验的声发射源定位方法及***
技术领域
本发明涉及一种用于岩石力学三轴试验的考虑声波在试件和油缸界面发生折射的情况下的声发射源定位方法及***。
背景技术
岩石力学三轴试验是获得高压下岩石力学特性和参数的重要实验方法。由于岩石试样密封于三轴加压油缸中，试样的破裂过程和破裂信息一直无法准确获取和确定。声发射测试技术能够监测岩石等材料在受载过程中产生裂纹的位置情况，为研究岩石破裂等提供有效的手段，但现有的声发射源定位方法主要用于单一介质声源的定位，它假定声源所在介质为单一均质介质，采用介质的混合波速，不考虑声波在其传播过程中的折反射。而在岩石力学三轴试验中，岩石试件和三轴加载油缸属于不同材料介质，此时传统方法采用混合波速的均一假设，且不考虑声波在两种不同介质接触面处会发生折射，显然会产生较大的误差。亟需一种新的考虑声波在曲面介质界面折射的声发射源定位方法和算法。
在现有技术中，CN105842343A公开了一种将声发射传感器内置于真三轴腔室的声发射试验装置,虽然对于真三轴试验中声发射信号的采集提供了一种有效的方法，但是其局限性很大，仅适用于固定的岩石尺寸，并不能用于常规三轴试验。而且将声发射传感器内置于真三轴腔室操作复杂，对三轴加载效果也有不利影响。CN106442743A公开了一种考虑声波在两种介质界面折射情况下的声发射源定位算法，虽然考虑了声波在传播过程中遇到不同介质会发生折射的情况，但没有考虑介质层面为曲面的情况，也没有针对曲面介质折射的定位算法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种用于岩石力学三轴试验的声发射源定位方法及***，避免因为使用混合波速以及按照直线路径传播所带来的误差。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种用于岩石力学三轴试验的声发射源定位方法，包括以下步骤：
1)由岩石力学三轴试验得到简化的两层曲面介质；
2)岩石破裂在声源点S处发出一声发射信号，传播至两层介质交界面处，发生折射后传播至布置在三轴加载油缸外的声发射传感器，发射信号被接收，记录各声发射传感器接收到的到时；
3)计算声源到各声发射传感器的理论到时；
4)将步骤3)得到的理论到时与声发射传感器接收到时构成到时差矩阵方程，利用复合形法求解到时差矩阵方程最小值，得到声发射源坐标。
步骤3)中，假设在柱坐标系下，其中声源S(θ0,r0,h0)处发出一声发射信号，传播至两层介质接触面，在R(θri,rri,hri)处发生折射，继续传播至探头位置I(θi,ri,hi)，声源到某一声发射传感器I的理论到时计算公式为：
Figure BDA0001438204090000021
其中，
Figure BDA0001438204090000022
为声源S到相应折射点R之间的距离；
Figure BDA0001438204090000023
为声发射传感器I到折射点R之间的距离。
步骤4)中，声发射源坐标的具体求解过程包括以下步骤：
1)确定同一声源到任意两个声发射传感器之间的到时差方程：
Figure BDA0001438204090000024
2)由到时差方程得到相应的到时差矩阵：
Figure BDA0001438204090000025
由声发射采集***测得的到时差矩阵为：
Figure BDA0001438204090000026
3)计算到时差与实际测得到时差之间的差值：Error＝T_M-T；
4)当到时差与实际测得到时差之间的差值为零时，即得到声发射源坐标。
相应的，本发明还提供了一种用于岩石力学三轴试验的声发射源定位***，其包括：
简化模块，用于由岩石力学三轴试验得到简化的两层曲面介质；
记录模块，用于记录各声发射传感器接收到的到时；
计算模块，用于计算声源到各声发射传感器的理论到时；
声发射源坐标确定模块，用于将理论到时与声发射传感器接收到时构成到时差矩阵方程，利用复合形法求解到时差矩阵方程最小值，得到声发射源坐标。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明突破了以往单一介质的情况，即声波沿直线传播的方法，考虑了声波在传播过程中遇到不同介质会发生折射，且考虑了介质接触面为曲面的情况，为岩石力学三轴试验中的声发射源定位提供了一种合理准确的方法，同时还可用于其它多层曲面介质的声发射源定位，避免了因为使用混合波速以及按照直线路径传播所带来的误差。
附图说明
图1为声发射源在岩石力学三轴试验简化两层曲面介质模型中传播与定位方法示意图；
图2为两层曲面介质声发射源定位算法图；
图3为本发明方法和传统算法定位结果图；其中(a)主视图；(b)右视图；(c)俯视图；
→：本发明方法路径；
Figure BDA0001438204090000031
传统方法路径；
Figure BDA0001438204090000032
声发射源；
Figure BDA0001438204090000033
传统方法；
Figure BDA0001438204090000034
本发明方法。
具体实施方式
如图2所示岩石力学三轴试验简化的两层曲面介质模型，S为内部岩石介质破裂所产生的一声源点，所在介质波速为C1，S为位于外层油缸介质表面的一声发射传感器，所在介质波速为C2，声源点S处产生一声发射信号，沿直线传播至两介质交界面处发生折射后继续沿直线传播至声发射传感器I，信号被接收。
假设在柱坐标系下，其坐标分别为S(θ0,r0,h0)，R(θri,rri,hri)，I(θi,ri,hi)，则可得到
Figure BDA0001438204090000041
Figure BDA0001438204090000042
声源S到相应折射点R之间的距离为
Figure BDA0001438204090000043
传感器I到折射点R之间的距离为
Figure BDA0001438204090000044
声发射信号在外侧介质中传播所用时间为
Figure BDA0001438204090000045
声发射信号在内测介质中传播所用时间为
Figure BDA0001438204090000046
则声发射信号在两层曲面介质中传播所用时间可以表示为
Figure BDA0001438204090000047
同样的方法可以得到同一声源传播至另一传感器所用时间为
Figure BDA0001438204090000048
然后可得到同一声源到任意两个传感器之间的到时差方程为
Figure BDA0001438204090000051
由到时差方程可得到相应的到时差矩阵
Figure BDA0001438204090000052
由声发射采集***测得的到时差矩阵为
Figure BDA0001438204090000053
计算到时差与实际测得到时差之间的差值记为二者间的误差
Error＝T_M-T (12)
误差平方和如下所示
error＝∑Error(i)2 (13)
对于每一组观测值(θi,ri,hi；θj,rj,hj)，假设一个声发射源所在空间内的初始声源坐标(θ0,r0,h0)，代入式(9)可确定一个到时差计算值Tij,一系列传感器任意两个组合便可得到一组计算到时差矩阵T。声发射监测设备同时会得到同一个声发射源信号传播至每一个传感器到时，任意两个组合可得到一组测量到时差矩阵T-M。当计算到时差与实际测得到时差之际的差值(Error)为零时，即可得到声发射源坐标(θ,r,h)。
预设在柱坐标系下一声发射源的位置为(0，0，200)，(30,10,200)，(270，20，160)，(330,30,150)五个传感器的坐标(0，100，30)、(60，100，45)、(90，100，60)、(180,100,75)(240，100，93)；内侧圆柱直径为100mm，高为200m；外侧圆筒内径为100mm；外径为200mm，高为200mm；在这些已经确定的声源点进行断铅，记录每一个声发射源传到五个传感器时触发传感器的时刻。以本例对两层曲面介质定位问题进行详细说明，实际定位时，已知量为五个传感器的坐标以及传感器触发记录的时刻，声发射源的位置是未知量，在此给出是为了利用本发明提出的方法进行验证。具体实施步骤如下：
1、将五个传感器布置在待测对象附近，保证其不在一个平面内，坐标分别为(0，100，30)、(60，100，45)、(90，100，60)、(180,100,75)(240，100，93)；两种介质中波速分别为c1＝5128.21m/s，c2＝5882.35m/s。
2、利用发明内容中所提出的适用于三轴力学试验的声发射源定位算法,将已知数据代入公式，假设一个声发射源的初始值，然后可以得到折射点的坐标，以及到时差，当误差平方和最小时假设的声发射源的坐标即为实际的声源坐标。
3、定位结果为(177.52，0.45，197.86)，(29.66,10.13,200.63)，(269.94,20,161.04)，(330.21,29.97,150.67)其与真实预设声源位置距离误差分别为2.19mm,0.65mm,1.04mm,0.68mm，同时相同情况下用传统不考虑折射算法进行计算，所得定位结果为(210.21,0.88,186.74),(26.77,12.14,194.45),(267.16,22.21,148.54),(330.48,35.55,150.72),其与真实预设声源位置距离误差分别为13.29mm,5.98mm，11.72mm，5.60mm。将真实坐标、本发明所提方法以及传统算法所得定位结果绘制如图3所示，通过对比可得本发明算法所得定位结果与预设的坐标吻合较好，定位精度高。

Claims (4)

1.一种用于岩石力学三轴试验的声发射源定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)由岩石力学三轴试验得到简化的两层曲面介质；
2)岩石破裂在声源点S处发出一声发射信号，传播至两层介质交界面处，发生折射后传播至布置在三轴加载油缸外的声发射传感器，发射信号被接收，记录各声发射传感器接收到的到时；
3)计算声源到各声发射传感器的理论到时；
4)将步骤3)得到的理论到时与声发射传感器接收到时构成到时差矩阵方程，利用复合形法求解到时差矩阵方程最小值，得到声发射源坐标。
2.根据权利要求1所述的用于岩石力学三轴试验的声发射源定位方法，其特征在于，步骤3)中，假设在柱坐标系下，其中声源S(θ0,r0,h0)处发出一声发射信号，传播至两层介质接触面，在R(θri,rri,hri)处发生折射，继续传播至探头位置I(θi,ri,hi)，声源到某一声发射传感器I的理论到时计算公式为：
Figure FDA0002302422290000011
其中，
Figure FDA0002302422290000012
为声源S到相应折射点R之间的距离；
Figure FDA0002302422290000013
为声发射传感器I到折射点R之间的距离。
3.根据权利要求2所述的用于岩石力学三轴试验的声发射源定位方法，其特征在于，步骤4)中，声发射源坐标的具体求解过程包括以下步骤：
1)确定同一声源到任意两个声发射传感器之间的到时差方程：
Figure FDA0002302422290000014
2)由到时差方程得到相应的到时差矩阵：
Figure FDA0002302422290000021
由声发射采集***测得的到时差矩阵为：
Figure FDA0002302422290000022
3)计算到时差与实际测得到时差之间的差值：Error＝T_M-T；
4)当到时差与实际测得到时差之间的差值为零时，即得到声发射源坐标。
4.一种用于岩石力学三轴试验的声发射源定位***，其特征在于，包括：
简化模块，用于由岩石力学三轴试验得到简化的两层曲面介质；
记录模块，用于记录各声发射传感器接收到的到时；
计算模块，用于计算声源到各声发射传感器的理论到时；
声发射源坐标确定模块，用于将理论到时与声发射传感器接收到时构成到时差矩阵方程，利用复合形法求解到时差矩阵方程最小值，得到声发射源坐标。
CN201710978572.0A 2017-10-19 2017-10-19 用于岩石力学三轴试验的声发射源定位方法及*** Expired - Fee Related CN107727744B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710978572.0A CN107727744B (zh) 2017-10-19 2017-10-19 用于岩石力学三轴试验的声发射源定位方法及***

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710978572.0A CN107727744B (zh) 2017-10-19 2017-10-19 用于岩石力学三轴试验的声发射源定位方法及***

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107727744A CN107727744A (zh) 2018-02-23
CN107727744B true CN107727744B (zh) 2020-08-14

Family

ID=61211989

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710978572.0A Expired - Fee Related CN107727744B (zh) 2017-10-19 2017-10-19 用于岩石力学三轴试验的声发射源定位方法及***

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107727744B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111221034B (zh) * 2020-01-20 2022-02-25 山东黄金矿业股份有限公司新城金矿 矿山微地震源定位方法及模拟检验***
CN111398433B (zh) * 2020-04-17 2020-12-25 中南大学 一种基于线性加权最小二乘法的声发射源定位方法及***
CN112034425B (zh) * 2020-09-15 2023-03-21 中南大学 未知波速的声发射源线性更正定位方法、***及存储介质
CN116593295B (zh) * 2023-07-19 2023-10-03 北京科技大学 利用岩石各向异性波速提高声发射定位精度的方法及装置

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS59225374A (ja) * 1983-06-06 1984-12-18 Hitachi Ltd 音源位置標定方法とその装置
CN102262220B (zh) * 2011-04-28 2013-07-17 中南大学 一种基于非线性拟合的微震源或声发射源的定位方法
RU2498293C2 (ru) * 2011-12-30 2013-11-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тольяттинский государственный университет" Способ определения координат источника акустической эмиссии
CN203785967U (zh) * 2014-04-08 2014-08-20 中国矿业大学 一种多功能高温高压三轴煤岩试验装置
CN104515807A (zh) * 2014-10-27 2015-04-15 浙江省特种设备检验研究院 一种压力管道超声内检测自动化装置
CN105866253B (zh) * 2016-06-07 2018-09-21 北京航空航天大学 一种基于k均值聚类的双声发射源定位方法
CN106442743B (zh) * 2016-09-05 2019-01-22 中南大学 一种考虑声波在两种介质界面折射情况下的声发射源定位方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN107727744A (zh) 2018-02-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107727744B (zh) 用于岩石力学三轴试验的声发射源定位方法及***
JP6073389B2 (ja) 任意の表面輪郭を有する部材の超音波浸漬検査
US8192075B2 (en) Method for performing ultrasonic testing
CN108168747A (zh) 一种基于激光超声的工件表面残余应力测量装置及其方法
CN109696480B (zh) 一种基于改进时间反转算法的玻璃纤维复合材料声发射源定位成像方法
CN105319272B (zh) 一种基于角域信号重构的水浸超声检测方法
CN109507297B (zh) 一种确定复合材料超声-声发射检出缺陷深度的方法
CN103616102B (zh) 一种用于金属薄板残余应力分布检测的超声泄漏纵波传感装置
US20140318251A1 (en) Method for measuring elastic properties using ultrasound
Ouabi et al. A fastslam approach integrating beamforming maps for ultrasound-based robotic inspection of metal structures
CN108375630A (zh) 一种板结构表面缺陷无损检测方法
TWI452322B (zh) 使用聲波測量物體空間位置的方法及系統
CN111693602B (zh) 声检查装置和操作方法
CN112432998B (zh) 一种带有声腔结构的橡胶板粘接缺陷超声波无损检测方法
CN110440896B (zh) 一种超声波测量***及测量方法
CN112362732A (zh) 基于激光超声椭圆成像的自由曲面缺陷探测方法及***
CN106353409A (zh) 用于水浸超声检测的检测探头方向自动调整装置及调整方法
CN115236192A (zh) 一种声发射信号检测方法及***
KR101809666B1 (ko) 삼각 센싱 기법을 이용한 결함 위치 추정방법
CN105116057A (zh) 小口径管轧制缺陷超声波探头及配套使用的试块
CN218937340U (zh) 一种高精度超声厚度测量装置
CN204854557U (zh) 一种新型管外壁减薄测量尺
JP2015007553A (ja) 水中音響センサの計測装置および計測方法
CN108414624A (zh) 基于全波形反演法的起重机异形截面结构起重伸缩臂的检测方法
CN114777696B (zh) 一种超声测厚方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20200814

Termination date: 20211019