CN113324832B - 基于声发射特征的散粒体间微观力学行为辨识方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于声发射特征的散粒体间微观力学行为辨识方法，通过在单颗粒加载装置的下载荷板放置散粒体颗粒，安装声发射测量***，控制单颗粒加载装置的上载荷板对散粒体颗粒进行压碎，获取加载全过程单颗粒加载装置施加给散粒体颗粒的轴向荷载，获取加载时压缩散粒体颗粒时产生的轴向位移，并通过声发射测量***全程获取散粒体颗粒在破碎过程中产生的原始声发射时域电信号，根据轴向荷载、轴向位移和原始声发射时域电信号辨识散粒体间微观力学行为，能够对散粒体间微观力学行为进行准确辨识，具体可以进行各种加载过程中的散粒体材料内部微观机理研究，可实时连续判定颗粒所处的破坏阶段、量化其破坏程度，有效简化了辨识过程，提高了辨识效率。

Description

基于声发射特征的散粒体间微观力学行为辨识方法
技术领域
本发明涉及岩土工程与声学技术领域，尤其涉及一种基于声发射特征的散粒体间微观力学行为辨识方法。
背景技术
颗粒破裂被公认为是影响散粒体材力学行为的关键因素，例如可降低散粒体集料的渗透率、减小摩擦角、改变临界状态线的位置以及抑制剪胀破坏等。为了了解颗粒破裂的潜在微观力学行为及其与散粒体集料强度参数之间的关系，通常采用先进无损检测技术与单颗粒压碎试验相结合的方式，对不同的矿物类型和矿物粒径进行研究。
先前的研究涉及的技术主要集中于边界测量(例如高速显微镜相机)或具有宽测量时间间隔的局部密度检测(例如X射线计算机断层扫描)，这些技术难以实时、连续评估单颗粒在压碎过程中的内在微观力学行为的强度和模式。
声发射技术作为一种无损检测方法，能够连续捕获应力材料内部释放的弹性波，目前已广泛用于准连续体介质材料，如金属、岩石和混凝土等。当材料受到外部荷载时，材料内部微尺度劣化过程(如开裂)往往伴随着应变能的释放，这种应变能大部分以弹性波的形式释放。这种弹性波可被声发射传感器检测到并记录为声发射信号。已有研究表明，通过对声发射波形所携带的信息(如信号到达时间、声发射事件率、声发射频率等) 进行解析，可以准确定位破坏发生的位置、诊断故障强度、区分相关微力学行为模式等。
颗粒破碎相关的微观力学行为(如：颗粒调整、磨损和微裂纹等)也会产生声发射信号，对声发射行为的分析可为了解散粒体集料的微观力学行为提供有益的信息。研究表明：声发射特性与颗粒材料的潜在微观力学行为之间联系密切。例如，关于声发射的事件率，Dixon等人和Smith等人建立了声发射的事件率与位移率之间的线性关系，用于土质边坡不稳定性的监测预警；在声发射频率方面，Mao等人发现，无论是何种矿物成分，砂质颗粒的破碎过程都伴随着高频声发射分量(>100kHz)的显著升高，而颗粒间的滑移过程则以低频分量为主；最近，Luo等人和Ibraim等人进行了大量的单颗粒压缩试验，表明声发射特性可以表征颗粒的破碎机理和特征。相关传统方案虽然在一定程度上能够实现散粒体间微观力学行为的检测，然而检测过程较为复杂。
发明内容
针对以上问题，本发明提出一种基于声发射特征的散粒体间微观力学行为辨识方法。
为实现本发明的目的，提供一种基于声发射特征的散粒体间微观力学行为辨识方法，包括如下步骤：
S10，在单颗粒加载装置的下载荷板放置散粒体颗粒；
S20，在单颗粒加载装置底座上安装声发射测量***；
S30，按照预设的加载速度控制单颗粒加载装置的上载荷板对散粒体颗粒进行压碎；
S40，通过压力传感器获取加载全过程单颗粒加载装置施加给散粒体颗粒的轴向荷载，通过位移传感器获取加载时压缩散粒体颗粒时产生的轴向位移，并通过声发射测量***全程获取散粒体颗粒在破碎过程中产生的原始声发射时域电信号，根据轴向荷载、轴向位移和原始声发射时域电信号辨识散粒体间微观力学行为。
在一个实施例中，根据轴向荷载、轴向位移和原始声发射时域电信号辨识散粒体间微观力学行为包括：
根据轴向荷载确定压碎过程中散粒体颗粒的轴向荷载随时间变化曲线；
根据轴向位移确定压碎过程中散粒体颗粒的轴向位移随时间变化曲线；
根据轴向荷载随时间变化曲线、轴向位移随时间变化曲线和原始声发射时域电信号确定压碎过程中散粒体颗粒辨识散粒体间微观力学行为。
在一个实施例中，对散粒体颗粒进行压碎的过程包括五个阶段；该五个阶段包括：
在加载初期，散粒体颗粒轴向荷载呈上凹状增长，部分颗粒的轴向荷载表现为震荡式上凹状增长，此时声发射事件率呈串珠状，且伴随为50kHz左右的低频信号，判定受压颗粒处于阶段(Ⅰ)：颗粒位置调整及孔隙/裂隙压密阶段；
当轴向荷载呈线弹性增长，此时声发射事件率呈弥散状态，且伴随有100～200kHz频率信号，判定受压颗粒处于阶段(Ⅱ)：弹性变形阶段；
当轴向荷载继续呈线弹性增长，此时声发射事件率重新开始快速增长，且伴随有零星高于200kHz的高频信号，判定受压颗粒处于阶段(III)：微裂纹稳定增长阶段；
当轴向荷载呈震荡式增长，此时声发射事件率加速增长，且伴随有大量频率为200～700kHz的高频信号，判定受压颗粒处于阶段(Ⅳ)：微裂纹不稳定增长阶段；
当轴向荷载呈断崖式下降，此时在低应力状态下声发射事件率仍持续快速增长，且伴随大量频率为200～700kHz的高频信号，判定受压颗粒处于阶段(Ⅴ)：破坏阶段。
在一个实施例中，所述单颗粒加载装置的上载荷板和下载荷板包括刚性固体压头。
在一个实施例中，步骤S10之前，还包括：
分别在单颗粒加载装置的上载荷板和下载荷板附着隔声屏障，以降低环境及加载***的静电噪音，所述隔音屏障包括橡皮膜及具有光滑平面的钢板。
上述基于声发射特征的散粒体间微观力学行为辨识方法，通过在单颗粒加载装置的下载荷板放置散粒体颗粒，在单颗粒加载装置底座上安装声发射测量***，按照预设的加载速度控制单颗粒加载装置的上载荷板对散粒体颗粒进行压碎，通过压力传感器获取加载全过程单颗粒加载装置施加给散粒体颗粒的轴向荷载，通过位移传感器获取加载时压缩散粒体颗粒时产生的轴向位移，并通过声发射测量***全程获取散粒体颗粒在破碎过程中产生的原始声发射时域电信号，根据轴向荷载、轴向位移和原始声发射时域电信号辨识散粒体间微观力学行为，能够对散粒体间微观力学行为进行准确辨识，有效简化了辨识过程，提高了辨识效率。
附图说明
图1是一个实施例的基于声发射特征的散粒体间微观力学行为辨识方法流程图；
图2是一个实施例中单颗粒压碎加载试验装置及高精度声发射测量***示意图；
图3是一个实施例的基于声发射特征信息辨识散粒体材料粒间微观力学行为的方法流程图；
图4是一个实施例的颗粒压碎过程中激发的声发射原始时域电信号示意图；
图5为一个实施例的声发射事件、声发射峰值频率定义示意图；
图6是一个实施例的颗粒压碎过程中轴向荷载随轴向位移变化曲线的示意图；
图7是一个实施例中根据实验数据建立的轴向荷载-轴向位移-声发射事件率关系曲线；
图8为一个实施例中根据实验数据建立的轴向荷载-轴向位移-声发射频率特征关系曲线。
图2中附图标记包括：
1为单颗粒加载装置基座、2为加载***反力架、3为上载荷板、4为下载荷板4、5 为上隔音屏障、6为下隔音屏障、7为加载杆、8为压力传感器、9为位移传感器、10 为伺服控制***、11为声发射传感器、12声发射信号放大器、13为数据记录仪、14为数据存储器、15为散粒体材料。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
参考图1所示，图1为一个实施例的基于声发射特征的散粒体间微观力学行为辨识方法流程图，包括如下步骤：
S10，在单颗粒加载装置的下载荷板放置散粒体颗粒。
上述单颗粒加载装置包括基座、反力架、上下载荷板、上下隔声屏障、设置在所述单颗粒加载装置上的压力传感器、设置在单颗粒加载装置上的位移传感器、加载杆、伺服控制加载***。
S20，在单颗粒加载装置底座上安装声发射测量***。
上述声发射测量***为高性能声发射测量***，包括声发射传感器、信号放大器、数据记录器和数据存储器。高性能声发射测量***应具有高灵敏度、高信噪比、宽带工作频率、高采样率的特点。
具体地，声发射测量***接收的原始声发射时域电信号，分析时应根据电气和环境噪声引起的电压水平，设置电压阈值，一旦信号超过阈值，声发射信号即被识别并定义为一次声发射事件，以固定时间间隔累计声发射事件量并定义为声发射事件率。声发射传感器接收到的原始声发射时域电信号，采用快速傅里叶变换(FFT)方法将信号从时域转换为频域，将谱中具有峰值幅值的频率分量作为峰值频率，以分析检测到的声发射信号的频率特性。
S30，按照预设的加载速度控制单颗粒加载装置的上载荷板对散粒体颗粒进行压碎。
上述预设的加载速度可由常规伺服控制加载设备控制。
具体地，对散粒体颗粒进行压碎之前，加载平台上分别附着两道隔声屏障来降低环境和加载***的静电噪音，在目标颗粒压碎之前，与颗粒接触的载荷板上下表面需充分抛光，以降低颗粒与载荷板间的摩阻力。在所述单颗粒压碎试验过程中，始终将测试颗粒置于干燥条件下。
S40，通过压力传感器获取加载全过程加载装置施加给散粒体颗粒的轴向荷载，通过位移传感器获取加载时压缩散粒体颗粒时产生的轴向位移，并通过声发射测量***全程获取散粒体颗粒在破碎过程中产生的原始声发射时域电信号，根据轴向荷载、轴向位移和原始声发射时域电信号辨识散粒体间微观力学行为。
上述基于声发射特征的散粒体间微观力学行为辨识方法，通过在单颗粒加载装置的下载荷板放置散粒体颗粒，在单颗粒加载装置底座上安装声发射测量***，按照预设的加载速度控制单颗粒加载装置的上载荷板对散粒体颗粒进行压碎，通过压力传感器获取加载全过程单颗粒加载装置施加给散粒体颗粒的轴向荷载，通过位移传感器获取加载时压缩散粒体颗粒时产生的轴向位移，并通过发射测量***全程获取散粒体颗粒在破碎过程中产生的原始声发射时域电信号，根据轴向荷载、轴向位移和原始声发射时域电信号辨识散粒体间微观力学行为，能够对散粒体间微观力学行为进行准确辨识，具体可以进行各种加载过程中的散粒体材料内部微观机理研究，可实时连续判定颗粒所处的破坏阶段、量化其破坏程度，有效简化了辨识过程，提高了辨识效率。
在一个实施例中，根据轴向荷载、轴向位移和原始声发射时域电信号辨识散粒体间微观力学行为包括：
根据轴向荷载确定压碎过程中散粒体颗粒的轴向荷载随时间变化曲线；
根据轴向位移确定压碎过程中散粒体颗粒的轴向位移随时间变化曲线；
根据轴向荷载随时间变化曲线、轴向位移随时间变化曲线和原始声发射时域电信号确定压碎过程中散粒体颗粒辨识散粒体间微观力学行为。
本实施例可以对轴向荷载、轴向位移、声发射事件率、声发射频率特性进行分析，建立单颗粒在压碎过程中的力学参数、位移参数、声发射参数之间的对应关系，以分别得到所需要的轴向荷载、声发射事件率及声发射频率特性随轴向位移变化等各类曲线。
在一个实施例中，对散粒体颗粒进行压碎的过程包括五个阶段；该五个阶段包括：
在加载初期，散粒体颗粒轴向荷载呈上凹状增长，部分颗粒的轴向荷载表现为震荡式上凹状增长，此时声发射事件率呈串珠状，且伴随为50kHz左右的低频信号，判定受压颗粒处于阶段(Ⅰ)：颗粒位置调整及孔隙/裂隙压密阶段；
当轴向荷载呈线弹性增长，此时声发射事件率呈弥散状态，且伴随有100～200kHz频率信号，判定受压颗粒处于阶段(Ⅱ)：弹性变形阶段；
当轴向荷载继续呈线弹性增长，此时声发射事件率重新开始快速增长，且伴随有零星高于200kHz的高频信号，判定受压颗粒处于阶段(III)：微裂纹稳定增长阶段；
当轴向荷载呈震荡式增长，此时声发射事件率加速增长，且伴随有大量频率为200～700kHz的高频信号，判定受压颗粒处于阶段(Ⅳ)：微裂纹不稳定增长阶段；
当轴向荷载呈断崖式下降，此时在低应力状态下声发射事件率仍持续快速增长，且伴随大量频率为200～700kHz的高频信号，判定受压颗粒处于阶段(Ⅴ)：破坏阶段。
在一个示例中，这五个阶段可能不是按顺序依次出现，且颗粒不必经历完整的五个压裂阶段；有些阶段可能会部分或全部重叠，而个别或某些阶段可能会在颗粒压裂过程中存在时间较短甚至消失。
进一步地，在目标颗粒(散粒体颗粒)压碎之后，还包括：
对发射传感器接收的原始声发射时域电信号，应根据电气和环境噪声引起的电压水平，设置电压阈值，一旦信号超过阈值，声发射信号即被识别并定义为一次声发射事件，以固定时间间隔累计声发射事件量，并定义为声发射事件率；
对声发射传感器接收到的原始声发射时域电信号，采用快速傅里叶变换(FFT)方法将信号从时域转换为频域，将频谱中具有峰值幅值的频率分量作为峰值频率，以分析声发射信号的频率特性。
在一个实施例中，所述单颗粒加载装置的上载荷板和下载荷板包括刚性固体压头。
具体地，可以分别在单颗粒加载装置的上下载荷板附着隔声屏障，以降低环境及加载***的静电噪音，所述隔音屏障由橡皮膜及具有光滑平面的钢板组合而成。上述单颗粒压碎试验应在干燥条件下进行。
在一个实施例中，步骤S10之前，还包括：
分别在单颗粒加载装置的上载荷板和下载荷板附着隔声屏障，以降低环境及加载***的静电噪音，所述隔音屏障包括橡皮膜及具有光滑平面的钢板。
下面结合图2至图8对本发明实施例的基于声发射特征信息辨识散粒体材料粒间微观力学行为的方法作进一步详细描述。
为了更加清楚地描述本发明实施例的基于声发射特征信息辨识散粒体材料粒间微观力学行为的方法，下面对加载试验装置及高精度声发射测量***进行描述。
图2为所述单颗粒压碎加载试验装置及高精度声发射测量***示意图。如图2所示，加载试验装置，包括：基座1、反力架2、上载荷板3、下载荷板4、上隔音屏障5、下隔音屏障6、加载杆7、压力传感器8、位移传感器9、伺服控制***10、声发射传感器 11、声发射信号放大器12、数据记录仪13、数据存储器14。
所述上下载荷板指金属材料或非金属材料制备的固体压头。
所述上隔音屏障5设置在上载荷板下表面，下隔音屏障6设置在下载荷板下表面，以避免环境及加载***产生的电噪声。
本实施例中，上述隔音屏障5、6由多层胶乳膜及薄金属板用胶水堆叠而成。
特别地，为了减少颗粒与接触面板间的摩阻力，与颗粒接触的载荷面(即隔音屏障5下表面以及下荷载板的上表面)均需经过充分抛光；
所述压力传感器8设置在所述加载杆7的推进端，用于测量所述加载杆7施加给所述目标颗粒15的轴向荷载；
所述位移传感器9设置在所述加载杆7的推进端，用于测量所述加载杆7压碎所述目标颗粒15产生的轴向位移；
本实施例中，推进加载杆7可以是任何能施加轴向荷载的加载杆件；
所述伺服控制***10设置在所述加载杆7的端部，用于控制加载杆7以预定的加载速度上下推进；
所述声发射传感器11设置在所述下金属载荷板3的外表面，即临空面上，用于实时连续测量所述目标颗粒15压碎全过程激发的声发射原始时域电信号；
所述声发射信号放大器12连接声发射传感器，用于提高接收到的声发射信号的信噪比；
所述数据记录仪13连接声发射信号放大器，用于连续记录声发射原始时域电信号；
所述目标颗粒15的形态、尺寸、质地不限；
本实施例中，在加载杆7压碎目标颗粒15的过程中，通过压力传感器8获取加载试验装置施加给目标颗粒15的轴向荷载，通过位移传感器9获取加载时压缩目标颗粒 15时产生的轴向位移，通过声发射测量***获取目标颗粒15在压碎过程中产生的原始声发射时域信号。
图3为根据本发明一个实施例的基于声发射特征辨识散粒体材料粒间微观力学行为方法的流程图。如图3所示，该基于声发射特征辨识散粒体材料粒间微观力学行为的方法可以包括以下步骤：
步骤1：在单颗粒加载试验装置上放置单颗粒砂土，参见附图2所示；
在本实施例中，选取了五种不同尺寸的单颗粒硅质砂土，测试颗粒尺寸为：6.79mm×5.36mm×4.53mm、4.61mm×4.26mm×3.62mm、3.57mm×3.26mm×2.50mm、2.95mm ×2.46mm×2.06mm、2.18mm×1.85mm×1.53mm；
在本实施例中，所述不同尺寸的单颗粒砂粒，其光学图像显示：较大的颗粒圆度较高，表面较为光滑，表面有原生微缺陷；较小的颗粒则有较多的棱角，表面较粗糙；
在本实施例中，所述目标颗粒15在试验前以及试验过程中置于干燥条件下，每种尺寸的颗粒进行10次测试，所有颗粒总共进行50次测试；
步骤2：在试验装置上安装高性能声发射测量***，参见附图2所示；
在本实施例中，为了降低声发射信号在散粒体材料中的能量衰减，所述声发射测量***包括高性能声发射传感器11、信号放大器12、高性能数据采集仪13、数据存储器 14。其中声发射传感器11为富士陶瓷公司生产的压电陶瓷型传感器：M304A，该传感器探头内置有增益为20±2dB的前置放大器，传感器工作频率为10kHz-5MHz(谐振频率为300kHz)，灵敏度为115±3dB(参考：0dB＝1V/m/s)；声发射信号放大器12为富士陶瓷公司生产的信号放大器：A1201,其增益为53±3dB；数据采集仪13为美国NI公司生产的PXIe-6366,设置其采样速率为2MS/s；
步骤3：按照预设的加载速度控制加载试验装置对目标颗粒进行压碎；
本实施例中，所述预定加载速度恒定为0.2mm/min向下推进加载杆7，模拟目标颗粒压碎过程。具体地，随着加载杆7的推进，目标颗粒先发生颗粒位置调整以及原生孔隙/裂隙闭合、线弹性压缩、微裂纹稳定增长、微裂纹不稳定增长、最终微裂纹融汇贯通致颗粒压裂。
步骤4：通过压力传感器获取单颗粒加载装置施加给目标颗粒的轴向荷载，通过位移传感器获取加载时压缩目标颗粒时产生的轴向位移，并通过高性能声发射测量***获取目标颗粒在破碎过程中产生的原始声发射时域信号；
本实施例中，压力传感器采样频率设置为1S/s，位移传感器采样频率设置为1S/s，声发射测量***采样频率设置为2MS/s；
本实施例中，所述原始声发射时域信号如附图4所示；
本实施例中，所述声发射信号主要来源于颗粒内部裂纹的萌生和发展、颗粒边角折断、颗粒破碎部分的错动摩擦、颗粒表面与上下载荷板间的摩擦和磨损等；
步骤5：为了有效区分声发射信号与环境电噪声，根据电气和环境噪声引起的电压水平预设电压阈值过滤声发射信号噪音，一旦信号超过阈值，声发射信号就被识别并定义为一次声发射事件，以固定时间间隔累计的声发射事件量定义为声发射事件率，统计加载过程中的声发射事件率随，所述声发射参数定义如附图5所示；
本实施例中，所述声发射信号噪音约为20dB(参考：0dB＝1mV/m/s)，所述预设电压阈值为29.54dB(参考：0dB＝1mV/m/s)；所述声发射事件率定义为1秒内声发射事件累计量；
进一步地，采用快速傅里叶变换(FFT)方法将记录的原始声发射时域电信号从时域转换为频域，将谱中具有峰值幅值的频率分量作为峰值频率，以获取检测到的声发射信号的频率特性。
步骤6：通过建立轴向荷载、轴向位移、声发射事件率、声发射频率特征间的关系曲线，提出一种基于声发射特征信息辨识散粒体材料粒间微观力学行为的室内试验方法。
进一步地，步骤6建立的具体关系曲线包括：
颗粒压碎过程轴向荷载—轴向位移变化关系曲线，如图6所示；
颗粒压碎过程轴向荷载—轴向位移—声发射事件率关系曲线，如图7所示；
颗粒压碎过程轴向荷载—轴向位移—声发射频率特征关系曲线，如图8所示。
结合图6-图8可知，将单颗粒压碎过程划分为五个阶段；
五个阶段分别为：(Ⅰ)颗粒位置调整及原生微孔隙/裂隙压密阶段，(Ⅱ)线性弹性变形阶段，(Ⅲ)微裂纹稳定增长阶段，(Ⅳ)微裂纹不稳定增长阶段，(Ⅴ)破坏阶段。
具体地，在阶段(Ⅰ)，颗粒以旋转和滑动的方式调整其与上下载荷板间的位置，原生裂纹/孔隙闭合，使颗粒刚度逐渐增大，因此轴向荷载—轴向位移曲线呈凹形；另一方面，声发射事件率呈串珠状，且伴随为50kHz左右的低频信号。随着加载的进行，颗粒进入线性弹性阶段，表现为轴向荷载呈线弹性增长；另一方面，声发射事件率呈弥散状态，且伴随有频率为100～200kHz的较高频信号，此时颗粒处于阶段(Ⅱ)：弹性变形阶段。随后，轴向荷载继续呈线弹性增长，但声发射事件率开始快速增长，且伴随有零星高于200kHz的高频信号，此时受压颗粒处于阶段(III)：微裂纹和稳定增长阶段。随着加载杆的推进，颗粒微裂纹不断发展并迅速融合，一些薄弱的角落也可能破裂，导致载荷呈波动式增长趋势，另一方面声发射事件率加速增长，且伴随有较多频率为 200～700kHz的高频信号，此时受压颗粒处于阶段(Ⅳ)：不稳定的微观裂纹增长阶段。最终，随着微裂纹的完全聚结，轴向荷载呈断崖式下降，另一方面，在低应力状态下声发射事件率仍持续快速增长，且伴随大量频率为200～700kHz的高频信号，可判定受压颗粒处于阶段(Ⅴ)：破坏阶段。需要说明的是：在颗粒压碎全过程，五个阶段并不一定是按顺序依次出现，且颗粒不必经历完整的五个压裂阶段，有些阶段可能会部分或全部重叠，而个别或某些阶段可能会在颗粒压裂过程中存在时间较短甚至消失。
特别地，在最终破坏之前(即：阶段Ⅳ)，观察到声发射事件率迅速增加且伴随大量高频信号(>200kHz)，这与微裂纹的萌生和演化密切相关。声发射这一现象一方面有望将其视为材料破坏的前兆信息，实现超前预警；另一方面在进行各种加载过程中的散粒体材料集合体内部微观机理研究时，可通过对声发射特征信息进行分类统计(如分离高频、低频信号)，实现颗粒集合体中颗粒间相互作用的强度和模式的实时连续评价。
特别地，在颗粒***或碎裂之后，破碎后的“新颗粒”即使在极低的荷载水平下，将变得更具发射性，且呈现大量高频信号(>200kHz)，如图6～图8所示，表明：声发射参数较之力学参数、位移参数，能更好地反映颗粒所受的历史损伤度；
结合本实施例50个单颗粒破碎试验，分析其轴向荷载—轴向位移关系曲线、轴向荷载—轴向位移—声发射事件率关系曲线、轴向荷载—轴向位移—声发射频率特征关系曲线，可见:低频声发射分量(100kHz以下)、中高频声发射分量(100-200kHz)和高频分量(200-700kHz)分别与颗粒调整、颗粒表面研磨和微裂纹等微观力学行为模式密切相关, 可通过声发射频率特性进一步判断受荷单颗粒砂土的内部微观力学特性。
本发明实施例提供的基于声发射特征辨识散粒体材料颗粒间微观力学行为的方法，通过在单颗粒加载装置上放置散粒体颗粒；在所述单颗粒加载装置上安装高性能声发射测量***；按照预设的加载速度控制单颗粒加载装置对所述目标颗粒进行压碎；通过压力传感器获取加载试验装置施加给所述目标颗粒的轴向荷载，以及通过位移传感器获取加载时压缩目标颗粒时产生的轴向位移，并通过高性能声发射测量***获取目标颗粒在破碎过程中产生的原始声发射时域信号；通过预设的电压阈值过滤声发射电信号噪音，提取并统计加载过程中的声发射事件率，并通过傅里叶变换将原始声发射时域信号转换为频域信号，获取破碎过程中产生的声发射信号的频域特性；通过建立轴向荷载、轴向位移、声发射事件率、声发射频率特征间的关系。通过提出一种基于声发射特征信息辨识散粒体材料粒间微观力学行为的室内试验方法，可以进行各种加载过程中散粒体材料内部微观机理辨识研究，并实时、连续判定颗粒压裂过程中所处的破坏阶段、量化其破坏程度；采用高精度声发射测量***，有效地克服了散粒体材料中声学信号传播的高衰减问题；采用隔音屏障，有效地降低了环境和加载***电噪声问题；同步测量颗粒压裂过程中的力学参数、位移参数、声学参数(包括声发射事件率、声发射频率特性)，集成声学-力学-统计学的方法，可实现材料压裂全过程的实时、连续内部微观监测。大量试验结果证明：声发射事件率、声发射频率特性与轴向荷载、轴向位移、材料破坏阶段、材料内部微观力学行为具有强相关性。加载初期，颗粒轴向荷载呈上凹状增长，部分颗粒的轴向荷载表现为震荡式上凹状增长，声发射事件率呈串珠状，且伴随为50kHz左右的低频信号，此时可判定受压颗粒处于颗粒位置调整及孔隙/裂隙压密阶段；当轴向荷载呈线弹性增长，声发射事件率呈弥散状态，且伴随有频率为100～200kHz的较高频信号，可判定受压颗粒处于弹性变形阶段；当轴向荷载继续呈线弹性增长，声发射事件率开始快速增长，且伴随有零星频率为200～700kHz的高频信号，可判定受压颗粒处于微裂纹稳定增长阶段；当轴向荷载呈震荡式增长，声发射事件率加速增长，且伴随有较多 200～700kHz的高频信号，可判定受压颗粒处于微裂纹不稳定增长阶段；当轴向荷载呈断崖式下降，在低应力状态下声发射事件率仍持续快速增长，且伴随大量频率为200～700 kHz的高频信号，可判定受压颗粒处于破坏阶段。需要说明的是：颗粒压碎全过程中，五个阶段并不一定按顺序依次出现，且颗粒不必经历完整的五个压裂阶段；有些阶段可能会部分或全部重叠，而个别或某些阶段可能会在颗粒压裂过程中存在时间较短甚至消失。特别的，在材料破坏前期，声发射事件率激增并伴随较多高频信号(>200kHz)的产生，更好地反映了材料内部裂纹的不稳定发展，该特征信息一方面有望将其视为材料破坏的前兆信息，实现超前预警；另一方面在进行各种加载过程中的散粒体集料内部微观机理研究时，可通过统计不同携带不同频率分量的声发射参数，实时连续评估散粒体集料中颗粒间相互作用的强度和模式，使检测过程更加简便。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种基于声发射特征的散粒体间微观力学行为辨识方法，其特征在于，包括如下步骤：
S10，在单颗粒加载装置的下载荷板放置散粒体颗粒；
S20，在单颗粒加载装置底座上安装声发射测量***；
S30，按照预设的加载速度控制单颗粒加载装置的上载荷板对散粒体颗粒进行压碎；
S40，通过压力传感器获取加载全过程单颗粒加载装置施加给散粒体颗粒的轴向荷载，通过位移传感器获取加载时压缩散粒体颗粒时产生的轴向位移，并通过声发射测量***全程获取散粒体颗粒在破碎过程中产生的原始声发射时域电信号，根据轴向荷载、轴向位移和原始声发射时域电信号辨识散粒体间微观力学行为。
2.根据权利要求1所述的基于声发射特征的散粒体间微观力学行为辨识方法，其特征在于，根据轴向荷载、轴向位移和原始声发射时域电信号辨识散粒体间微观力学行为包括：
根据轴向荷载确定压碎过程中散粒体颗粒的轴向荷载随时间变化曲线；
根据轴向位移确定压碎过程中散粒体颗粒的轴向位移随时间变化曲线；
根据轴向荷载随时间变化曲线、轴向位移随时间变化曲线和原始声发射时域电信号确定压碎过程中散粒体颗粒辨识散粒体间微观力学行为。
3.根据权利要求1所述的基于声发射特征的散粒体间微观力学行为辨识方法，其特征在于，对散粒体颗粒进行压碎的过程包括五个阶段；该五个阶段包括：
在加载初期，散粒体颗粒轴向荷载呈上凹状增长，部分颗粒的轴向荷载表现为震荡式上凹状增长，此时声发射事件率呈串珠状，且伴随为50kHz左右的低频信号，判定受压颗粒处于阶段(Ⅰ)：颗粒位置调整及孔隙/裂隙压密阶段；
当轴向荷载呈线弹性增长，此时声发射事件率呈弥散状态，且伴随有100～200kHz频率信号，判定受压颗粒处于阶段(Ⅱ)：弹性变形阶段；
当轴向荷载继续呈线弹性增长，此时声发射事件率重新开始快速增长，且伴随有零星高于200kHz的高频信号，判定受压颗粒处于阶段(III)：微裂纹稳定增长阶段；
当轴向荷载呈震荡式增长，此时声发射事件率加速增长，且伴随有大量频率为200～700kHz的高频信号，判定受压颗粒处于阶段(Ⅳ)：微裂纹不稳定增长阶段；
当轴向荷载呈断崖式下降，此时在低应力状态下声发射事件率仍持续快速增长，且伴随大量频率为200～700kHz的高频信号，判定受压颗粒处于阶段(Ⅴ)：破坏阶段。
4.根据权利要求1所述的基于声发射特征的散粒体间微观力学行为辨识方法，其特征在于，所述单颗粒加载装置的上载荷板和下载荷板包括刚性固体压头。
5.根据权利要求1所述的基于声发射特征的散粒体间微观力学行为辨识方法，其特征在于，步骤S10之前，还包括：
分别在单颗粒加载装置的上载荷板和下载荷板附着隔声屏障，以降低环境及加载***的静电噪音，所述隔声 屏障包括橡皮膜及具有光滑平面的钢板。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116337616B (zh) * 2023-01-10 2024-06-11 中国科学院武汉岩土力学研究所 一种高精度砂土单颗粒轴向加载装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102052998A (zh) * 2010-11-09 2011-05-11 东南大学 转子碰摩声发射信号识别方法
CN105334108A (zh) * 2015-11-05 2016-02-17 华北理工大学 岩石破裂声发射监测优势频段的选取算法
CN105403623A (zh) * 2015-11-04 2016-03-16 华北理工大学 岩石在单轴压缩条件下声发射主频提取方法
CN112284985A (zh) * 2020-10-12 2021-01-29 浙江大学 一种气固体系内颗粒参数的声发射测量方法
CN112380736A (zh) * 2020-12-14 2021-02-19 中南大学 一种实现单颗粒破碎强度weibull分布精准控制的离散元模型构建方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107101890B (zh) * 2017-06-23 2018-10-30 西南石油大学 高温岩样应变与声波测试装置及测试方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102052998A (zh) * 2010-11-09 2011-05-11 东南大学 转子碰摩声发射信号识别方法
CN105403623A (zh) * 2015-11-04 2016-03-16 华北理工大学 岩石在单轴压缩条件下声发射主频提取方法
CN105334108A (zh) * 2015-11-05 2016-02-17 华北理工大学 岩石破裂声发射监测优势频段的选取算法
CN112284985A (zh) * 2020-10-12 2021-01-29 浙江大学 一种气固体系内颗粒参数的声发射测量方法
CN112380736A (zh) * 2020-12-14 2021-02-19 中南大学 一种实现单颗粒破碎强度weibull分布精准控制的离散元模型构建方法

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