用于岩石力学三轴试验的声发射源定位方法及系统技术方案

本发明专利技术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系统，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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
用于岩石力学三轴试验的声发射源定位方法及系统
本专利技术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系统。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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系统，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，本专利技术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：其中，为声源S到相应折射点R之间的距离；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：2)由到时差方程得到相应的到时差矩阵：由声发射采集系统测得的到时差矩阵为：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，本专利技术还提供了一种用于岩石力学三轴试验的声发射源定位系统，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，本专利技术所具有的有益效果为：本专利技术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为本专利技术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；→：本专利技术方法路径；传统方法路径；声发射源；传统方法；本专利技术方法。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)，则可得到声源S到相应折射点R之间的距离为传感器I到折射点R之间的距离为声发射信号在外侧介质中传播所用时间为声发射信号在内测介质中传播所用时间为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由到时差方程可得到相应的到时差矩阵由声发射采集系统测得的到时差矩阵为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专利技术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
技术实现思路
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)，(本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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：其中，为声源S到相应折射点R之间的距离；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...

【专利技术属性】
技术研发人员：周子龙，芮艺超，周静，陈卫军，董陇军，蔡鑫，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43