模擬井水中接收的聲發(fā)射信號波形特征

陳 沖，呂 震，劉 兵，王 風(fēng)，孔祥斌，李木森，2

（1.山東省超硬材料工程技術(shù)研究中心，鄒城 273500；2.山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟南 250061；3.鄒城市地震局，鄒城 273500）

地震因其頻發(fā)性和破壞性，成為人類面臨的嚴(yán)重自然災(zāi)害之一。人類至今尚未完全掌握地震的孕育和發(fā)展規(guī)律，地震預(yù)報仍然是國際上未能攻克的重大科學(xué)難題之一。因此，研究新的地震活動信息實時采集方法，對地震活動信息進行科學(xué)表征、計算和分析，探索地震的孕育和演變規(guī)律，為地震的短臨預(yù)報提供科學(xué)依據(jù)和定量判據(jù)，具有十分重要的現(xiàn)實意義。國內(nèi)外相關(guān)研究人員在與地震活動相關(guān)的巖石力學(xué)、地球物理、地質(zhì)結(jié)構(gòu)和礦震監(jiān)測等技術(shù)領(lǐng)域開展了許多聲發(fā)射試驗和理論研究，為地震監(jiān)測和預(yù)報提供了重要的研究基礎(chǔ)［1－8］。

大量歷史記錄和震例資料表明，地下水的映震能力強，反映比較靈敏，與地震孕育和發(fā)生有著密切關(guān)系，是進行地震監(jiān)測預(yù)報和科學(xué)研究的重要手段［9－12］。深井水位記震能力反映的地下應(yīng)力場狀態(tài)隨時間變化，作為地震前兆進行地震預(yù)報是一種效果比較理想的方法［13］。但是由于水位觀測等記錄數(shù)據(jù)僅對強震有所反應(yīng)，對強震之前存在的小地震群的活動反應(yīng)則不靈敏，因而不能滿足地震預(yù)測的技術(shù)要求。在廣泛調(diào)查和研究國內(nèi)外有關(guān)聲發(fā)射技術(shù)在地震活動性和強震預(yù)測研究領(lǐng)域的應(yīng)用的基礎(chǔ)上，欲以井水作為聲發(fā)射傳感器聯(lián)接區(qū)域地質(zhì)結(jié)構(gòu)的耦合介質(zhì)，采用水－聲耦合法將地震波信息經(jīng)深井水傳遞到設(shè)置的聲發(fā)射傳感器陣列。然后，由聲發(fā)射儀進行實時采集、降噪、存儲和分析，可以建立新的地震預(yù)測方法。

筆者采用一個模擬水井作為水－聲耦合機構(gòu)，用聲波發(fā)生器在水井底部激發(fā)AE模擬信號，通過井水傳遞后，由波導(dǎo)桿導(dǎo)入到前置放大器，最后被全波形聲發(fā)射信號分析儀接收。通過采集試驗數(shù)據(jù)，分析經(jīng)井水傳遞后AE模擬信號的波形特征，可以為研究水－聲耦合法在地震波信號實時監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用提供重要的試驗依據(jù)。

1 試驗方法

水－聲耦合機構(gòu)采用φ380mm×830mm鐵圓筒模擬水井，將AE信號觸發(fā)傳感器固定在圓筒底部中心，并將此傳感器與聲波發(fā)生器相連接。圓筒中加滿水后，用φ25mm×600mm的圓柱形波導(dǎo)桿插入水中，并固定。將AE信號接收傳感器固定在波導(dǎo)桿頂部，并將此傳感器連接到一個增益為40 dB的前置放大器，然后再與全波形聲發(fā)射信號分析儀相連接。試驗裝置示意如圖1所示。

設(shè)置一個對比試驗，即將AE信號觸發(fā)傳感器直接與接收傳感器相對接。這樣，通過聲波發(fā)生器發(fā)出的AE模擬信號不經(jīng)任何傳播介質(zhì)直接被接收放大后，導(dǎo)入全波形聲發(fā)射信號分析儀。試驗裝置示意如圖2所示。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 模擬水井中接收AE模擬信號的時域、頻域分析

在模擬水井底部由聲波發(fā)生器發(fā)出頻率為150kHz、電壓Vpp為500mV的AE模擬信號。信號通過模擬水井系統(tǒng)傳遞并被前置放大器放大后，由全波形聲發(fā)射信號分析儀接收（記為試驗1）。

圖1 模擬水井試驗裝置示意

圖2 對比試驗裝置示意

對比試驗采用相同AE模擬信號，不經(jīng)任何傳播介質(zhì)直接被接收放大后，導(dǎo)入全波形聲發(fā)射信號分析儀（記為試驗2）。此接收信號可近似視作僅被放大了的源信號。兩者信號數(shù)據(jù)經(jīng)Matlab軟件進行時域分析；并經(jīng)FFT變換后，進行頻域分析。結(jié)果如圖3所示。兩試驗中接收的AE模擬信號的特征參數(shù)如表1所示。

表1 兩試驗中接收的AE模擬信號的特征參數(shù)

由圖3及表1可以看出，通過模擬水井系統(tǒng)傳播后的AE模擬信號與源信號均為典型的突發(fā)型信號。但與源信號相比，AE模擬信號的幅度、振鈴計數(shù)、總能量均明顯減小。其中，幅度減小近99%，總能量減小近95%，振鈴計數(shù)減少約70%，這是由于AE模擬信號在水介質(zhì)中不傳播橫波，在經(jīng)井水傳播后表現(xiàn)為單一縱波的緣故。而AE模擬信號的持續(xù)時間與源信號相比增加約22%，這是由于AE模擬信號在模擬水井內(nèi)壁多次反射等導(dǎo)致的結(jié)果。

2.2 基于小波變換的AE模擬信號能量對比分析

小波變換以其良好的時頻局部特性可以把波形信號的特性分配到各個不同尺度的小波變換系數(shù)上，再通過對小波變換系數(shù)的分析與處理，能有效地從信號中提取有效信息。筆者從Daubechies小波中選擇較為常用的db5小波作為小波基，對試驗1和試驗2中接收的AE模擬信號和AE源信號進行6級小波分解。各分解尺度的重構(gòu)波形信號時域圖及其對應(yīng)的頻譜圖如圖4，5所示。

圖4，5中每個分解尺度的信號都表示一定頻率范圍內(nèi)的信號。其中a6為第6層低頻近似部分，d1～d6層為高頻細節(jié)部分。圖4可以看出，試驗1中各分解尺度信號的持續(xù)時間均明顯長于試驗2；兩者d3，d4，d5的幅值較高。從圖5中可以看出，試驗1的幅度在各分解尺度下均明顯小于試驗2，但兩者在各個分解尺度下對應(yīng)的頻率分布是一致的。

聲發(fā)射信號是能量突然釋放的產(chǎn)物，能量反映了聲發(fā)射源結(jié)構(gòu)變化的劇烈程度，對門檻、工作頻率和傳播特性不甚敏感，所以常用于表征波源的內(nèi)在狀態(tài)以及波源類型的鑒別。兩試驗中接收的AE模擬信號和AE源信號經(jīng)小波分解后，各尺度對應(yīng)頻帶所占的能量比例如圖6所示。

在圖6中，1，2，3，4，5，6，7分別代表分解信號d1，d2，d3，d4，d5，d6，a6。可以看出，不同尺度下的分解信號所占的能量不同。d3，d4，d5所占能量較高，是兩者信號構(gòu)成中的主要部分。由圖6及表1可以看出，雖然通過模擬水井系統(tǒng)傳播后的AE模擬信號（試驗1）與源信號（試驗2）相比總能量大幅下降，但各分解層的能量比例變化不大，和源信號基本一致。這說明，在經(jīng)井水傳播后表現(xiàn)為單一縱波的AE模擬信號依然保持和AE源信號相同的內(nèi)在能量狀態(tài)。這對基于水－聲耦合法用聲發(fā)射檢測儀實時采集地震波信號十分有利。

3 結(jié)論

（1）采用水－聲耦合方法可以接收到模擬水井底部激發(fā)產(chǎn)生的聲發(fā)射模擬信號。

（2）經(jīng)模擬水井系統(tǒng)傳播后的AE模擬信號與不經(jīng)任何傳播介質(zhì)的AE源信號相比，其幅度、振鈴計數(shù)、總能量明顯下降，而持續(xù)時間則相對增加。

（3）經(jīng)模擬水井系統(tǒng)傳播后的AE模擬信號與不經(jīng)任何傳播介質(zhì)的AE源信號相比，表現(xiàn)為單一縱波，而且與AE源信號的能量成分比例基本一致。

［1］CHEON DAE－SUNG，JUNG YONG－BOK，PARK EUI－SEOB，et al.Evaluation of damage level for rock slopes using acoustic emission technique with waveguides［J］.Engineering Geology，2011，121：75－88.

［2］TYUPKIN Yu S，GIOVAMBATTISTA R Di.Correlation length as an indicator of critical point behavior prior to a large earthquake［J］.Earth and Planetary Science Letters，2005，230：85－96.

［3］WANG Hong－liang，GE Mao－chen. Acoustic emission／microseismic source location analysis for a limestone mine exhibiting high horizontal stresses［J］.International Journal of Rock Mechanics ＆ Mining Sciences，2008，45：720－728.

［4］馬瑾，馬文濤，馬勝利，等.5°拐折構(gòu)造變形物理場的試驗研究與數(shù)值模擬［J］.地震地質(zhì)，1995，17（4）：318－326.

［5］馬勝利，陳順云，劉培洵，等.斷層階區(qū)對滑動行為影響的試驗研究［J］.中國科學(xué) D輯：地球科學(xué)，2008，38（7）：842－851.

［6］路鵬，李志雄，陶本藻，等.震級頻度與古登堡－里克特關(guān)系式偏離的前兆意義［J］.地震，2006，26（4）：1－7.

［7］PONOMAREV A V，ZAVYALOV A D，SMIRNOV V B，et al.Physical modeling of the formation and evolution of seismically active fault zones［J］.Tectonophysics，1997，277：57－81.

［8］LEI Xing－lin，KOJI MASUDA，OSAMU NISHIZAWA，et al.Detailed analysis of acoustic emission activity during catastrophic fracture of faults in rock［J］.Journal of Structural Geology，2004，26：247－258.

［9］國家地震局預(yù)測預(yù)防司編，地下流體地震預(yù)報方法［M］.北京：地震出版社，1997.

［10］耿杰，張昭棟，魏煥，等.唐山地震前后地下水動態(tài)圖像及其形成演化模式［J］.地震地質(zhì)，1998，20（3）：255－260.

［11］林淑真，李宗仰，陳暐家.臺灣地區(qū)9.21及3.31地震的地下水位異常統(tǒng)計與介入分析［J］.地震地質(zhì)，2003，26（4）：321－327.

［12］蘭雙雙，遲寶明.汶川地震近區(qū)深層井孔－含水層系統(tǒng)水位異常響應(yīng)研究［J］.水文地質(zhì)與工程地質(zhì)，2010，37（2）：1－5.

［13］胡先明.深井水位記震能力與地震預(yù)報［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2007，27（6）：74－78.