基于三分量P-S波形的岩体声发射源定位算法

    固体材料受力过程中,内部缺陷或不均质区积蓄的应变能超过一定极限时会突然释放,以弹性波的形式由发源点向四周传播,这种现象称为声发射现象。确定出声发射源的位置,对于分析预测固体材料的破坏趋势十分重要。探头阵时差法是确定岩体声发射源的常见方法,但某些空间条件下不能满足多只探头同时记录到声发射信号的要求,无法进行源定位。三分量P-S波时差法可实现单探头源定位,在地震学领域获得较深入的研究和应用,对于岩体声发射源定位来说,该项技术正处于研究之中[1]。本文给出了1套基于三分量P-S波形数据的声发射源定位算法,作为单探头岩体声发射源定位的一个计算模型。

    1 三分量波形

    1.1 P-S波形的分离

    岩体中发生声发射事件后,震动信号以弹性波形式向四周传播。弹性波中的P波(压缩波)的传播速度高于S波(剪切波)的传播速度,经过一定距离传播后,传感器记录到的波形图上P波会先于S波到达,形成P、S波波形的分离。

    P、S波的到达时差与传播距离正相关,因而是推算震源距离的关键数据。

    1.2 三分量传感器及P-S波形记录

    波的传播方向是一个空间问题,相对于探头(传感器)的位置而言,震源可能在任意方向上。P波的质点振动方向和波的传播方向相同,S波的质点振动方向垂直于波的传播方向,可以利用P波追踪震源方向。以相互正交方式将3只低横向灵敏度的加速度传感器组合安装到一起,配合3个独立电荷放大器,构成3轴向声发射检测探头。将其安置于岩体中(下向钻孔内),可检测P波在3个方向上的振动分量。

    加速度传感器依靠压电陶瓷感应压力方向和强度,输出信号有正负之分,通过各传感器检测记录的P波初动相位和幅值,是追踪P波传播方向的关键。

    3个分量传感器感应到振动后,转变为电荷信号,经独立电荷放大器放大后以电压信号输出,采集系统经过数字采集、触发判断、传输、存储等步骤,对超过一定幅值的波形信号进行3个分量记录。由于P波的幅值远小于S波,触发可能由S波引起,因而要求检测系统具有负延时记录能力,即可以记录触发前的P波数据,形成完整的P-S波形记录。

    2 源定位原理与算法

    2.1 定位原理及步骤

    采用Lissajous原理,通过偏振分析,可把清晰的三分量P波初动波形回归为P波传播方向,另由P、S波到达时差确定传播距离,这就是三分量P、S时差法震源定位的基本原理。可位事件的记录波形须具有2个特征:一是清晰的三分量纯P波初动;二是可辨别的P、S波到达时差。

    完整的处理步骤框图见图1,可编制相应的处理程序进行定位计算。