顆粒柱崩塌過程中聲發(fā)射信號研究

童 世 林，曲 景 學(xué)，何 思 明

(1.四川大學(xué) 水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065； 2.中國科學(xué)院·水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041)

0 引 言

滑坡、巖體與山體崩塌是山地區(qū)域時(shí)常發(fā)生的自然災(zāi)害。大量的巖塊與泥土迅速沖擊而下，形成高速運(yùn)動且破壞力巨大的顆粒流災(zāi)害，對附近的居民、建筑與農(nóng)田造成極大的危害，全球范圍內(nèi)每年都會因?yàn)檫@類災(zāi)害的發(fā)生遭受巨大的經(jīng)濟(jì)損失與人員傷亡[1-3]。對災(zāi)害的及時(shí)、有效、準(zhǔn)確評估與預(yù)測是所有研究者希望達(dá)到的一個(gè)目標(biāo)。聲發(fā)射是材料在受到荷載作用時(shí)，材料中局域源快速釋放能量進(jìn)而產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象，也稱為應(yīng)力波發(fā)射[4]，并且聲發(fā)射監(jiān)測已經(jīng)被用于監(jiān)測巖石破壞[5-7]、混凝土開裂[8-9]、管道泄漏[10]等。對于顆粒流運(yùn)動，Dixon，Smith等應(yīng)用聲發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行了相當(dāng)多的研究[11-12]。Hu等通過接收到的聲發(fā)射信號的各種參數(shù)，對滑坡災(zāi)害進(jìn)行預(yù)警，研究表明相較于傳統(tǒng)的布置位移傳感器、大地傾斜監(jiān)測器以及孔隙水壓力傳感器的監(jiān)測方法，聲發(fā)射信號更加敏感且反應(yīng)更快，能夠在滑移體開始微小移動時(shí)就接收到信號[13]，是一種經(jīng)濟(jì)高效的災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)。Dixon等還利用波導(dǎo)將聲發(fā)射系統(tǒng)應(yīng)用于野外試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn)，在聲發(fā)射參數(shù)與動力學(xué)參數(shù)之間建立了量化關(guān)系[14]。在使用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的聲發(fā)射試驗(yàn)中，聲發(fā)射信號能量參數(shù)與計(jì)數(shù)參數(shù)都與滑坡體移動速度與位移之間存在明顯的相關(guān)關(guān)系，計(jì)數(shù)率與速度、累計(jì)計(jì)數(shù)與位移、能量率與速度、累計(jì)能量與位移都是線性相關(guān)的。大量研究證明：將聲發(fā)射系統(tǒng)應(yīng)用于山地災(zāi)害特別是顆粒流災(zāi)害的分析研究中，能夠?yàn)榱私膺@些顆粒流體運(yùn)動機(jī)理與內(nèi)部的相互作用提供幫助，但是目前大部分應(yīng)用都是在具有滑動面的滑坡體上進(jìn)行的，關(guān)于崩塌的應(yīng)用還很少。

為了研究崩塌的機(jī)理，許多學(xué)者通過原型觀測[15]、模型試驗(yàn)[16]和數(shù)值模擬[17]的方法對顆粒流運(yùn)動的動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了研究，試圖找出初始形態(tài)(即高寬比、堆積形態(tài)等)、顆粒粒徑組成與顆粒流運(yùn)動速度、運(yùn)動距離之間的關(guān)聯(lián)，建立它們之間的量化關(guān)系。但是由于顆粒運(yùn)動的復(fù)雜性，內(nèi)部顆粒之間的相互作用以及運(yùn)動時(shí)的能量耗散形式很難得到準(zhǔn)確描述，想要建立這些參數(shù)之間的關(guān)系，還需要使用更先進(jìn)的儀器進(jìn)行進(jìn)一步研究才能實(shí)現(xiàn)。本文使用對微小變形與碰撞敏感的聲發(fā)射監(jiān)測方式監(jiān)測崩塌，對崩塌災(zāi)害進(jìn)行評估與機(jī)理研究。試驗(yàn)采集顆粒崩塌過程中顆粒運(yùn)動碰撞接觸產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，將聲發(fā)射信號與崩塌顆粒流的動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行對比，建立量化關(guān)系，并用聲發(fā)射信號曲線推導(dǎo)顆粒運(yùn)動曲線。

1 試驗(yàn)設(shè)置與方法

山地區(qū)域的柱狀危巖體崩塌、岸坡崩滑甚至坡面溜滑等災(zāi)害均為由下至上，并且在運(yùn)動過程中內(nèi)部存在崩解的過程，與顆粒柱崩塌的破壞模式相似[18]。因此本文將此類災(zāi)害簡化為顆粒柱崩塌，以探索其動力學(xué)參數(shù)與聲發(fā)射信號的關(guān)聯(lián)性。顆粒柱崩塌致使內(nèi)部顆粒之間碰撞、摩擦、滾動，瞬間釋放能量，其中一部分以聲發(fā)射信號的形式傳播。

1.1 試驗(yàn)設(shè)置

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)以一個(gè)簡化的物理試驗(yàn)系統(tǒng)來模擬顆粒柱崩塌。在水平放置的寬度為0.6 m，高度為0.15 m的正方形水槽中釋放儲存在圓筒中的顆粒柱，圓筒高度和直徑分別為h、d，聲發(fā)射傳感器布置于水槽底部。傳感器1位于顆粒柱底部中心位置，傳感器2與傳感器1相距0.1 m，作為對照傳感器，以驗(yàn)證各個(gè)位置處接收到的信號是否具有相同的變化趨勢。水槽側(cè)面安裝一臺高速攝影儀(120 fps)，記錄運(yùn)動過程中的動力學(xué)參數(shù)。試驗(yàn)設(shè)置如圖1所示。

聲發(fā)射系統(tǒng)包含有聲發(fā)射傳感器(R6-α，峰值靈敏度75 db，頻率范圍35～100 kHz，諧振頻率55 kHz)、前置信號放大器(40 db)、信號采集與處理系統(tǒng)(PIC-Ⅱ)、記錄與顯示系統(tǒng)。傳感器接收到聲發(fā)射信號后，通過放大器將信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號，在經(jīng)過信號處理系統(tǒng)處理轉(zhuǎn)換后輸出相應(yīng)的計(jì)數(shù)(ring-down counts，RDC)和能量(energy)。

1.2 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)為模擬不同高寬比與顆粒粒徑條件下聲發(fā)射信號與顆粒運(yùn)動的動力學(xué)參數(shù)的變化情況，采用了兩種高寬比(即圓筒高度與直徑的比值，用k表示)的圓筒和兩種粒徑(d0)的顆粒作為試驗(yàn)材料，如表1所列。兩種顆粒分別為d0=10～30 mm的粗顆粒、d0= 1～5 mm的細(xì)顆粒。圖2表示了使用顆粒的粒徑分布情況，分別以這兩種顆粒和兩種顆?；旌系念w粒柱作為6個(gè)試驗(yàn)工況，進(jìn)行對比分析。

表1 試驗(yàn)顆粒尺寸及高寬比Tab.1 Experimental particles size and aspect ratio

1.3 試驗(yàn)方法與步驟

(1) 設(shè)備安裝與連接。使用凡士林耦合劑將AE傳感器安裝于水槽底部(見圖1)，連接采集器，放大器調(diào)至40 db，并設(shè)定相關(guān)參數(shù)，用斷鉛法測試傳感器靈敏度是否正常。攝像機(jī)置于水槽前方，正對XZ平面。參數(shù)設(shè)置如表2所列。

表2 參數(shù)設(shè)置Tab.2 Parameter settings

(2) 設(shè)置門檻。在本次試驗(yàn)開始之前通過設(shè)置閾值為最低值的方法測得背景噪聲的幅值為20 db，將閾值設(shè)置為25 db，低于25 db的聲發(fā)射信號會被濾除掉，防止測試過程中采集到的信號含有噪聲成分，同時(shí)使濾除掉的信號最少。

(3) 顆粒柱崩塌試驗(yàn)。在k=2.78(即h=25 cm、d=9 cm)與k=1.17(即h=14 cm、d=12 cm)條件下，針對上述3種顆粒組合的顆粒柱，組合為6個(gè)試驗(yàn)工況(見表1)。對每種工況組合，均以約2 m/s的速度提起圓筒釋放顆粒，測試并記錄顆粒柱崩塌產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(計(jì)數(shù)、能量)與運(yùn)動圖像及崩塌后堆積體直徑D與高度H。為保證同一粒徑顆粒測試時(shí)的體積完全相同，首先進(jìn)行k=2.78，d0=10～30 mm的粗顆粒柱崩塌試驗(yàn)并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，再將這一組顆粒放入k=1.17 的圓筒中進(jìn)行顆粒柱崩塌試驗(yàn)。最后以相同的方法完成細(xì)顆粒柱和混合顆粒柱的崩塌試驗(yàn)。

(4) 數(shù)據(jù)后處理。聲發(fā)射信號由聲發(fā)射系統(tǒng)記錄后進(jìn)行整理。運(yùn)動速度通過高速攝影儀拍攝的影像，以0.05 s為時(shí)間間隔，將0.05 s內(nèi)的平均速度作為這段時(shí)間間隔內(nèi)的瞬時(shí)速度，記錄并繪制運(yùn)動過程中的速度曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 聲發(fā)射參數(shù)與動力學(xué)參數(shù)

圓柱崩塌時(shí)其在水平面上各個(gè)方向的運(yùn)動學(xué)參數(shù)的大小相同，所以本次試驗(yàn)將圓柱中心縱剖面作為計(jì)算平面，通過該平面，計(jì)算顆粒柱的運(yùn)動速度與運(yùn)動距離，通過高速攝影儀拍攝的影像，取出每隔0.05 s時(shí)的位置圖像。以顆粒柱中心為原點(diǎn)建立平面直角坐標(biāo)系，將顆粒柱頂點(diǎn)位置的Z坐標(biāo)作為參考點(diǎn)，經(jīng)過對比得到顆粒柱0.05 s內(nèi)在Z方向上運(yùn)動的距離，并以Z方向上0.05 s時(shí)間內(nèi)的平均運(yùn)動速度作為中點(diǎn)位置時(shí)刻的瞬時(shí)速度，X方向上的速度用相同的方法得出，進(jìn)而求得顆粒柱崩塌過程中的實(shí)時(shí)速度曲線。在重力作用下，顆粒柱崩塌時(shí)的速度變化有一個(gè)急劇加速到減速的過程，速度曲線與之前的研究相似[17]。如圖3所示，當(dāng)顆粒速度開始增加，顆粒柱表觀形態(tài)發(fā)生變化時(shí)，顆粒對平板的沖擊使得計(jì)數(shù)值瞬間達(dá)到最大值，在之后的時(shí)段直至總體上的顆粒運(yùn)動停止，振鈴計(jì)數(shù)值在較小的范圍內(nèi)波動。聲發(fā)射能量是反映波形圖包絡(luò)面積大小的參數(shù)，能夠反映碰撞相對能量和強(qiáng)度的大小，當(dāng)顆粒運(yùn)動速度變化時(shí)，碰撞強(qiáng)度和釋放的能量跟著發(fā)生變化，從而記錄到不斷變化的能量曲線。聲發(fā)射能量與顆粒運(yùn)動速度在時(shí)間尺度上具有相似的變化特性，運(yùn)用聲發(fā)射能量信號可以對顆粒柱崩塌情況下的顆粒運(yùn)動情況進(jìn)行分析。圖3中右上角窗口內(nèi)圖像為傳感器2采集到的聲發(fā)射信號，我們可以看出兩個(gè)傳感器采集的信號變化趨勢相同，僅由于距離原因出現(xiàn)小幅度數(shù)值差異，所以認(rèn)為在各個(gè)位置上采集到的信號均具有相同的變化趨勢，故而在后面的分析中只對傳感器1的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

高寬比和顆粒粒徑對顆粒崩塌動力學(xué)參數(shù)的影響也在本次試驗(yàn)中得到了驗(yàn)證，結(jié)果表明顆粒的運(yùn)動速度與最終堆積情況同時(shí)受到二者的影響。粗顆粒相較于細(xì)顆粒具有更大的摩擦系數(shù)，受到的摩擦力更大，將粗顆粒與細(xì)顆?；旌掀饋恚眉?xì)顆粒的潤滑作用，粗顆粒能夠移動更大的距離。同種顆粒材料情況下堆積體的直徑D隨著高寬比k的增大而增大，但高度H隨著k的增大而減??；在相同k值條件下，H隨著d0的減小而增大，但D與d0的關(guān)系并不為簡單的負(fù)相關(guān)關(guān)系，在細(xì)顆粒與粗顆粒混合的情況下顆粒柱崩塌的水平運(yùn)動距離要大于單獨(dú)細(xì)顆粒柱或粗顆粒柱，如表3與圖4所示。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1能量與計(jì)數(shù)

之前的許多研究發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射信號的能量與計(jì)數(shù)之間存在聯(lián)系，但在本文的顆粒柱崩塌試驗(yàn)中，聲發(fā)射信號的能量與計(jì)數(shù)并無明顯聯(lián)系。如圖3所示，當(dāng)能量開始增加時(shí)，計(jì)數(shù)增長緩慢，而隨后隨著能量的增加，計(jì)數(shù)值突然增長到最大值。振鈴計(jì)數(shù)是聲發(fā)射信號波形振蕩頻率的反映，而能量是其包絡(luò)面積大小的反映，在顆粒運(yùn)動過程中單個(gè)顆粒的碰撞強(qiáng)度卻隨著速度的加快而增強(qiáng)，包絡(luò)面積變大，體現(xiàn)為能量曲線與速度曲線具有相似的變化趨勢。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)累計(jì)能量與累計(jì)計(jì)數(shù)二者為S形增長曲線，符合Boltzmann模型曲線(如圖5所示)。

式中：A1，A2，x0，dx為常數(shù)，隨高寬比與粒徑改變而改變。

表3 顆粒堆積體尺寸Tab.3 The size of granular accumulation body

在顆粒加速階段，曲線斜率逐漸增大，減速階段斜率也隨之減小，直至宏觀位移停止，累計(jì)能量與累計(jì)計(jì)數(shù)達(dá)到最大值。在當(dāng)肉眼可見的位移開始之前與停止之后，累計(jì)計(jì)數(shù)一直在增長而累計(jì)能量值幾乎不變，這是由于顆粒之間的微小接觸引起的，顆粒整體運(yùn)動停止后，內(nèi)部顆粒之間的重排還在進(jìn)行，這種超過閾值的信號雖然能產(chǎn)生計(jì)數(shù)值，但其只具有微小的強(qiáng)度，能量增長幾乎可以忽略。聲發(fā)射計(jì)數(shù)參數(shù)對于突發(fā)型信號具有靈敏的反映，而對于塑性變形、流體泄露、摩擦、燃燒等連續(xù)型信號卻并不能進(jìn)行準(zhǔn)確分析。此前對于滑坡的監(jiān)測是利用波導(dǎo)將塑性變形的連續(xù)型聲發(fā)射信號轉(zhuǎn)換為波導(dǎo)材料產(chǎn)生的突發(fā)型聲發(fā)射信號，使得計(jì)數(shù)參數(shù)能夠與動力學(xué)參數(shù)建立關(guān)聯(lián)性。而顆粒柱崩塌屬于高速運(yùn)動的連續(xù)型塑性變形情況，直接通過傳感器獲得的顆粒柱崩塌情況下的計(jì)數(shù)參數(shù)在時(shí)間尺度上很難被分離提取。通常運(yùn)動過程中每次信號記錄時(shí)間都達(dá)到了采集儀器允許的最大記錄時(shí)間，與聲發(fā)射強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)性并不明確，所以產(chǎn)生了與之前研究相異的結(jié)果。同時(shí)也證明了計(jì)數(shù)參數(shù)不適用于這種情況的分析，這也為使用計(jì)數(shù)進(jìn)行各種情況下的實(shí)時(shí)監(jiān)測提供了一個(gè)思路：利用一個(gè)能產(chǎn)生聲發(fā)射信號的封閉裝置(類似于波導(dǎo))將連續(xù)型的聲發(fā)射信號轉(zhuǎn)換為突發(fā)型聲信號，進(jìn)而使用計(jì)數(shù)參數(shù)進(jìn)行動力學(xué)關(guān)聯(lián)性分析。

2.2.2計(jì)數(shù)與動力學(xué)參數(shù)

圖3及2.2.1節(jié)表明，聲發(fā)射信號的計(jì)數(shù)參數(shù)與速度隨時(shí)間的變化趨勢關(guān)聯(lián)性并不顯著。計(jì)數(shù)值是顆粒碰撞、摩擦產(chǎn)生的聲發(fā)射信號超過閾值的次數(shù)，反映信號的振蕩頻率，在顆粒柱崩塌這種高速運(yùn)動的連續(xù)性塑性變形情況下將計(jì)數(shù)參數(shù)在時(shí)間尺度上分隔提取是十分困難的。在之前的研究中，利用波導(dǎo)材料制成的聲發(fā)射探測系統(tǒng)測試聲發(fā)射計(jì)數(shù)速率(RDC/s)與運(yùn)動的速度成線性關(guān)系[14]，而該試驗(yàn)聲發(fā)射計(jì)數(shù)率與速度沒有表現(xiàn)出線性關(guān)系的趨勢，速度開始明顯變化后，計(jì)數(shù)率一直維持在一個(gè)范圍內(nèi)趨于穩(wěn)定，直至顆粒運(yùn)動停止時(shí)計(jì)數(shù)率降至零點(diǎn)。顆粒柱崩塌試驗(yàn)是在自身重力作用下的高速連續(xù)變形試驗(yàn)，在極短的時(shí)間內(nèi)顆粒柱完全崩塌，基本上1 s內(nèi)便已結(jié)束，速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過先前的波導(dǎo)類型的試驗(yàn)，并且崩塌過程中沒有受到除自身重力以外的荷載作用，在崩塌過程中運(yùn)動顆粒體積與質(zhì)量在不斷減少，速度和碰撞的強(qiáng)度也時(shí)刻發(fā)生變化，但并沒有通過計(jì)數(shù)值實(shí)時(shí)地反映出來(見圖3)。在崩塌過程中，6組試驗(yàn)的結(jié)果均顯示出位移與累計(jì)計(jì)數(shù)成“S”形增長，符合Boltzmann模型曲線，與累計(jì)能量與累計(jì)計(jì)數(shù)的關(guān)系曲線趨勢相同，如圖6所示。說明在這種情況下很難通過計(jì)數(shù)參數(shù)去判斷顆粒運(yùn)動強(qiáng)度的變化情況，僅從計(jì)數(shù)曲線無法預(yù)測顆粒運(yùn)動所處的階段，只能判斷運(yùn)動距離的大小。

2.2.3能量與動力學(xué)參數(shù)

結(jié)合圖3、圖5與圖6能夠發(fā)現(xiàn)，能量率與速度的變化趨勢相同(見圖7)。

從圖7中可以看出：顆粒柱崩塌過程中，能量率與速度之間為線性關(guān)系，聲發(fā)射信號的能量增長速率與速度幾乎同時(shí)達(dá)到峰值，加速與減速階段的大小與持續(xù)時(shí)間均能與能量率參數(shù)對應(yīng)，通過觀察能量增長速率能夠得出一次顆粒運(yùn)動的實(shí)時(shí)速度變化情況。這是因?yàn)槟芰渴潜碚餍盘柌ㄐ伟j(luò)面積大小的參數(shù)，能夠準(zhǔn)確反映聲發(fā)射源的變形程度，聲發(fā)射源變形程度越大，釋放的彈性波信號越強(qiáng)，從而波形包絡(luò)面積越大，能量值越大。顆粒崩塌運(yùn)動過程中不同時(shí)刻的速度變化引起了不同強(qiáng)度的顆粒碰撞，而聲發(fā)射信號能量能夠比較準(zhǔn)確地反映出顆粒之間碰撞強(qiáng)度的大小變化情況，因此可以在能量變化速率與顆粒運(yùn)動速度之間建立線性量化關(guān)系。這對于累計(jì)能量與顆粒位移顯然也是成立的。圖8顯示累計(jì)能量與顆粒柱運(yùn)動過程中位移的關(guān)系。6組試驗(yàn)結(jié)果均表明聲發(fā)射信號中的能量參數(shù)隨時(shí)間的累計(jì)值與顆粒運(yùn)動的距離明顯呈正比例線性關(guān)系，累計(jì)能量隨位移的增大而增加，累計(jì)能量曲線的斜率隨速度增大而增大，隨速度減小而減小，直至顆粒停止運(yùn)動，累計(jì)能量達(dá)到最大值。聲發(fā)射信號能量速率與速度以及累計(jì)能量與位移的關(guān)系結(jié)果與此前的研究結(jié)果相符。

2.2.4高寬比與顆粒粒徑的影響

結(jié)合前文對6種工況下聲發(fā)射信號與顆粒運(yùn)動的動力學(xué)參數(shù)的分析，不難看出不同高寬比與粒徑組成對于兩者都存在一定影響。在2.1節(jié)中，已經(jīng)描述了高寬比與顆粒粒徑對崩塌后堆積體尺寸形狀的影響，在結(jié)合聲發(fā)射信號后能夠在它們之間建立起關(guān)聯(lián)性。通過圖8很容易發(fā)現(xiàn)累計(jì)能量值隨高寬比的增大而增大，并且累計(jì)能量增長速度也是隨高寬比增大而增大的。顆粒粒徑變化對于能量同樣存在著影響，混合顆粒的累計(jì)能量值大于粗顆粒和細(xì)顆粒的累計(jì)能量值，細(xì)顆粒的累計(jì)能量值大于粗顆粒的累計(jì)能量值。同樣的，不同高寬比與顆粒粒徑情況下的位移距離也符合這一規(guī)律。顆粒柱崩塌過程中，混合顆粒堆積體的堆積直徑與堆積高度之比(D/H)最大，位移與累計(jì)能量也最大，說明在崩塌過程中，由于摩擦耗散的能量最少，細(xì)顆粒在其中起到了潤滑作用，加速了顆粒運(yùn)動，這對于研究顆粒柱崩塌以及其他諸如滑坡、泥石流、山體崩塌之類的顆粒流現(xiàn)象具有十分重要的意義?？梢詮穆暟l(fā)射信號中的能量參數(shù)推算出實(shí)時(shí)的運(yùn)動速度，通過累計(jì)能量預(yù)測其位移，根據(jù)能量曲線與運(yùn)動曲線的形狀判斷事件所處的階段，進(jìn)而對事件的危害性進(jìn)行評估和預(yù)警，這對于山地災(zāi)害預(yù)警和應(yīng)對決策處理具有十分重要的意義。

3 討 論

本文試驗(yàn)的目的是通過監(jiān)測顆粒柱崩塌過程中的聲信號，將顆粒運(yùn)動的動力學(xué)參數(shù)與聲信號參數(shù)聯(lián)系起來，建立起量化關(guān)系。相關(guān)結(jié)論對后續(xù)崩塌災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警工作的開展具有一定的積極意義。

(1) 顆粒柱崩塌過程中，內(nèi)部運(yùn)動顆粒數(shù)量隨時(shí)間減少，表觀速度呈現(xiàn)先加速再減速的過程。由于這種運(yùn)動顆粒質(zhì)量和速度的復(fù)雜變化關(guān)系，其運(yùn)動機(jī)理很難通過普通監(jiān)測手段進(jìn)行分析，而利用聲發(fā)射信號進(jìn)行監(jiān)測在一定程度上克服了這一困難。

(2) 聲發(fā)射信號主要由顆粒之間和顆粒與板之間的碰撞產(chǎn)生，計(jì)數(shù)參數(shù)和能量參數(shù)作為最常使用的兩個(gè)聲發(fā)射參數(shù)，在這次試驗(yàn)中出現(xiàn)了不同的結(jié)果。顆粒柱崩塌屬于高速連續(xù)變形的顆粒運(yùn)動，顆粒碰撞摩擦產(chǎn)生連續(xù)的聲信號，聲信號在時(shí)間尺度上難以被分割提取，計(jì)數(shù)的變化也就顯得不明顯，所以無法在直接監(jiān)測的情況下將計(jì)數(shù)率與顆粒運(yùn)動速度關(guān)聯(lián)起來，只能在整個(gè)過程上將累計(jì)的計(jì)數(shù)值與位移相關(guān)聯(lián)。累計(jì)能量與位移都隨累計(jì)計(jì)數(shù)增長呈“S”形曲線增長，但是通過累計(jì)計(jì)數(shù)并不能判斷出變形所處的階段，在直接監(jiān)測這類顆粒流運(yùn)動時(shí)計(jì)數(shù)值不能用于對顆粒運(yùn)動的分析。由之前的研究可知，在監(jiān)測連續(xù)型顆粒運(yùn)動時(shí)，需要將顆粒運(yùn)動產(chǎn)生的連續(xù)型信號轉(zhuǎn)換為突發(fā)型信號，才能使用計(jì)數(shù)值作為分析參數(shù)。同時(shí)顆粒運(yùn)動的速度通過能量參數(shù)表現(xiàn)出來，不同的速度產(chǎn)生不同強(qiáng)度的顆粒碰撞，通過彈性波的形式釋放的能量始終是總能量的一定比例，也不需要對每個(gè)事件的能量進(jìn)行分割，所以通過能量參數(shù)能夠分析顆粒運(yùn)動的動力學(xué)參數(shù)。本文試驗(yàn)也證明了整個(gè)顆粒柱崩塌過程中累計(jì)能量與位移以及能量率與速度的關(guān)系均為線性關(guān)系，這與之前的研究結(jié)論相同。

(3) 與以往的研究成果對比來看，在不同情況下能量參數(shù)都能與動力學(xué)參數(shù)之間表現(xiàn)出線性關(guān)系，表明在不添加輔助裝置的情況下，能量參數(shù)的適用范圍更廣，運(yùn)用能量參數(shù)進(jìn)行顆粒運(yùn)動的分析是一種可靠的選擇，進(jìn)而將聲發(fā)射能量參數(shù)運(yùn)用于不同類型的顆粒流災(zāi)害的監(jiān)測評估會具有可觀的前景。當(dāng)然，自然條件還存在著許多其他因素會對聲發(fā)射信號產(chǎn)生影響，未來還需對不同的顆粒密度、背景環(huán)境條件等因素的影響作進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

(1) 在直接監(jiān)測的情況下，由于顆粒運(yùn)動后期相互作用強(qiáng)度弱，計(jì)數(shù)值持續(xù)增長但振幅極低，使得計(jì)數(shù)參數(shù)與動力學(xué)參數(shù)間的關(guān)聯(lián)性并不顯著。在整個(gè)過程中，顆粒位移和累計(jì)能量同累計(jì)計(jì)數(shù)之間的關(guān)系均符合Boltzmann模型曲線。

(2) 聲發(fā)射的能量參數(shù)能夠反映顆粒柱崩塌的實(shí)時(shí)過程，能量率與速度、累計(jì)能量與位移均為正比例線性關(guān)系，累計(jì)能量與位移在時(shí)間序列上均符合“S”形的Boltzmann模型曲線，累計(jì)能量曲線的斜率變化可反映顆粒柱崩塌過程所處的階段。

(3) 能量參數(shù)與動力學(xué)參數(shù)的關(guān)系在不同高寬比和顆粒粒徑組成條件下的趨勢保持不變，僅在數(shù)值大小上有區(qū)別。隨著高寬比與粒徑的增大，顆粒柱崩塌的位移增大，累計(jì)能量隨之增大，二者依然為線性關(guān)系，同樣的，能量率與速度的關(guān)系也保持不變。