一种基于声音信号频谱分析的应变型岩爆预警方法技术

一种基于声音信号频谱分析的应变型岩爆预警方法，包括以下步骤：利用声音信号采集设备实时采集应变型岩爆破坏过程中的声音信号，将采集到的声音信号传输到声音信号处理系统并对采集到的声音信号进行实时记录和分析；先对采集到的声音信号进行降噪处理，再实时对降噪后的声音信号进行频谱分析，获得声音信号的幅值谱图；通过分析声音信号的频谱特征判断是否存在应变型岩爆的发展趋势，若随后出现“宽频、低幅和多峰形态”的声音信号，则预示着有极大可能会发生应变型岩爆灾害，声音信号处理系统将会在服务器终端发出报警。本发明专利技术属于非接触式、实时监测手段，具有远程可控、安装操作安全、信号可靠稳定的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于声音信号频谱分析的应变型岩爆预警方法，具体地说，涉及对岩爆孕育过程所发出人耳可识别的声音信号进行频谱分析，并将其作为判别是否存在发生岩爆的可能以及岩爆即将发生的前兆信息，属于岩石力学与工程

技术介绍
当前，随着地下工程向深部拓展，岩爆问题日益突出。岩爆是坚硬岩石在高地应力状态下，由开挖卸荷引起的围岩动力破坏现象，与一般静态脆性破坏现象不同，岩爆的显著特征在于弹射破裂现象的发生。而应变型岩爆特指在高地应力地区，由于开挖卸荷形成临空面，围岩切向应力逐渐增大，当切向应力超过围岩承载能力后，发生岩体剥离、崩出乃至弹射破裂等现象。由于岩爆灾害的突发性，可能导致人员的伤亡、施工设备的损毁、工期的拖延等灾难性后果。因此，如何对岩爆进行科学有效、且能够应用与工程实际的预警，是世界性的难题。在岩爆预警领域中，国内外专家、学者采用理论分析、数值计算、物理试验等方法做了大量的研究工作，虽然取得了一定进展，但是由于岩爆发生机制高度复杂，所提出的岩爆预警方法缺乏普适性、且预警效果不佳，尚不能完全满足工程实践要求。目前，在岩爆预警研究方面，基于声发射与微震技术的预警技术最受人们关注，应用最为广泛，且取得了一定的效果。其原理都是通过探头监测岩石开裂引起的震动，进而对岩爆的发生进行预警。因此，微震和声发射都属于接触式的监测手段，即信号监测探头必须与岩体有良好的接触，且现场施工引起的震动对监测结果也存在较大影响。同时，由于信号强度随声源距离的增加迅速衰减，为了保证监测数据的准确性，其传感器往往布置在临近岩爆区域的围岩上，因此，对人员、设备存在一定安全隐患。此外，用于岩爆预警的微震设备和声发射设备还存在价格昂贵、使用人员技术要求高等问题。工程实践表明，岩爆破坏过程中不仅伴随着高频的声发射信号(≥10000Hz)和低频的微震信号(≤100Hz)，往往还存在人耳能够听到的声音信号(20Hz～20000Hz)。以往的研究成果、我国现行的多个工程地质勘察规范，仅笼统的将人对岩爆过程中的声音大小作为岩爆等级的判别依据，忽略了声音信号在岩爆预警中的作用。实际上，岩爆从最初的孕育到最终的发生，会依次发生多种破坏，不同的破坏伴随着不同特征的声音信号，不同的声音信号存在着不同的频谱特征，声音信号能够在空气中远距离传播，十分便于接收与采集。鉴于声音信号是一种能够间接反映岩爆过程的有效信息，本专利技术提出一种基于声音信号频谱分析的应变型岩爆预警方法：利用声音信号预警系统对岩爆孕育过程中的声音信号进行实时监测、记录、降噪、频谱分析、预警。本专利技术对深部地下工程开挖施工中预警应变型岩爆灾害具有一定的指导意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，针对岩爆现象的巨大危害性以及现有的基于声发射和微震技术的预警方法上的缺陷，提出一种基于声音信号频谱分析的应变型岩爆预警方法，使得操作简便安全，更使岩爆预警方法更完善，岩爆预警更准确。本专利技术为实现上述目的，采用如下技术方案：一种基于声音信号频谱分析的应变型岩爆预警方法，包括以下步骤：(1)利用声音信号采集设备实时采集应变型岩爆破坏过程中的声音信号，利用声音信号传输系统将采集到的声音信号传输到声音信号处理系统，声音信号处理系统对采集到的声音信号进行实时记录和分析；(2)声音信号处理系统先对采集到的声音信号进行降噪处理去除环境噪声的影响，再实时对降噪后的声音信号进行频谱分析，获得声音信号的幅值谱图；(3)通过分析声音信号的频谱特征判断是否存在应变型岩爆的发展趋势，若随时间发展，声音信号的幅值谱图出现“主频值呈高频向低频迁移、频谱形状呈多峰到单峰的交替变换”的整体变化规律，则预示岩体存在应变型岩爆破坏发展趋势，否则，预示岩体存在静态脆性破坏的发展趋势；(4)当声音信号处理系统判定岩体存在应变型岩爆破坏发展趋势后，继续对声音信号进行实时监测分析，若监测到声音信号的幅值谱图随后出现“宽频、低幅和多峰形态”的声音信号，则预示着有极大可能会发生应变型岩爆灾害，声音信号处理系统将会在服务器终端以发出高分贝声音或变化屏幕图形的形式进行报警。所述声音信号为人耳能听到的声音信号，其频率范围为20～20000Hz。步骤(1)中，声音信号采集设备为传声器、数字录音笔或其他具有实时声音信号采集功能的设备。步骤(1)中，声音信号传输系统包括有线或无线传输设备。步骤(2)中，对降噪后的声音信号的频谱分析具体为：声音信号经降噪处理后，声音信号处理系统将每一个破坏对应的声音信号转存为“WindowsPCM(*.wav)”的音频文件，随后运行服务器安装的数学分析软件Matlab2010a，通过调用命令[y,fs,nbits]＝wavread('filename')读取各破坏对应的声音信号，并利用Matlab2010a时频工具箱中的FFT函数对降噪后的声音信号进行实时快速傅里叶变换并绘制、保存各破坏对应的声音信号的幅值谱图，根据幅值谱图分析频谱特征。幅值谱图。在信号的频域描述中，以频率作为横坐标，以组成信号的各个频率成分的幅值作为纵坐标，幅值谱图表征信号的幅值随频率的分布情况。应变型岩爆由最初的孕育到最终的发生，依次经历了不同的破坏，不同破坏伴随着不同的声音信号，不同声音信号存在着不同的频谱特性。因此，声音信号的频谱特征能够很好的反映岩爆由孕育到最终发生的整个过程。主频值。在声音信号频谱分析中，主频值表示信号经频谱转换后，具有最高振幅的频率，其最能体现信号的频率特性。频谱形状。在声音信号频谱分析中，频谱形状表示信号经频谱转换后，频率、幅值的分布状况，最能体现信号频率的分布范围及混杂程度，可用于鉴别声音信号对应的破坏类型。与现有技术相比较，本专利技术具备的有益效果：1、本专利技术属于非接触式、实时监测手段，具有远程可控、安装操作安全、信号可靠稳定的优点。与声发射、微震等接触式监测手段相比，本专利技术所采集的声音信号可通过空气介质远距离传播，属于非接触式监测手段，有效避免了声发射、微震因探头布置方式、岩体断层、结构面、裂缝等对信号传递的不利影响。同时，信号监测设备可远离岩爆区域布置，且安装简单、快速，降低了人员、设备安装时安全风险。此外，声音信号在传播过程中稳定性较好，可以避免岩体性状空间高变异性的不利影响与干扰，既能适应大型地下洞室群，也能适用于小型单个隧洞，具有很强的推广价值。2、本专利技术的是在识别岩爆发生趋势的基础上，再对岩爆进行预警。地下洞室开挖过程中除了可能发生岩爆这一动力破坏外，也存在着围岩松动、片帮、围岩剥落等多种一般静态脆性破坏，目前的岩爆预警方法很难区分岩爆与一般静态脆性破坏，因此可能导致误报、错报。本专利技术是通过对各破坏对应的声音信号进行频谱分析，系统根据声音信号频谱随时间的变化规律，首先判断是否存在发生应变型岩爆的趋势，若存在发生应变型岩爆的趋势，且监测到岩爆即将发生的前兆信息，才自动对岩爆即将发生进行预警，有效的提高了岩爆预警的针对性与准确性。3、本专利技术的信号采集设备成本低廉，推广应用前景好。采集声音信号的设备主要为麦克风、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于声音信号频谱分析的应变型岩爆预警方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)利用声音信号采集设备实时采集应变型岩爆破坏过程中的声音信号，利用声音信号传输系统将采集到的声音信号传输到声音信号处理系统，声音信号处理系统对采集到的声音信号进行实时记录和分析；(2)声音信号处理系统先对采集到的声音信号进行降噪处理去除环境噪声的影响，再实时对降噪后的声音信号进行频谱分析，获得声音信号的幅值谱图；(3)通过分析声音信号的频谱特征判断是否存在应变型岩爆的发展趋势，若随时间发展，声音信号的幅值谱图出现“主频值呈高频向低频迁移、频谱形状呈多峰到单峰的交替变换”的整体变化规律，则预示岩体存在应变型岩爆破坏发展趋势，否则，预示岩体存在静态脆性破坏的发展趋势；(4)当声音信号处理系统判定岩体存在应变型岩爆破坏发展趋势后，继续对声音信号进行实时监测分析，若监测到声音信号的幅值谱图随后出现“宽频、低幅和多峰形态”的声音信号，则预示着有极大可能会发生应变型岩爆灾害，声音信号处理系统将会在服务器终端以发出高分贝声音或变化屏幕图形的形式进行报警。

【技术特征摘要】
1.一种基于声音信号频谱分析的应变型岩爆预警方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用声音信号采集设备实时采集应变型岩爆破坏过程中的声音信号，利用声音信
号传输系统将采集到的声音信号传输到声音信号处理系统，声音信号处理系统对采集到的声
音信号进行实时记录和分析；
(2)声音信号处理系统先对采集到的声音信号进行降噪处理去除环境噪声的影响，再
实时对降噪后的声音信号进行频谱分析，获得声音信号的幅值谱图；
(3)通过分析声音信号的频谱特征判断是否存在应变型岩爆的发展趋势，
若随时间发展，声音信号的幅值谱图出现“主频值呈高频向低频迁移、频谱形状呈多峰
到单峰的交替变换”的整体变化规律，则预示岩体存在应变型岩爆破坏发展趋势，否则，预
示岩体存在静态脆性破坏的发展趋势；
(4)当声音信号处理系统判定岩体存在应变型岩爆破坏发展趋势后，继续对声音信号
进行实时监测分析，若监测到声音信号的幅值谱图随后出现“宽频、低幅和多峰形态”的声
音信号，则预示着有极大可能会发生应变型岩爆灾害，声音信号处理系统将会在服务器终端
以发出高分贝声音或变化屏幕图形的形式进行报警。
2.根据权利要求1所述的基于声音信号频谱...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏国韶，石焱炯，李燕芳，蒋剑青，江权，莫金海，陈智勇，
申请(专利权)人：广西大学，
类型：发明
国别省市：广西;45