模拟井水中接收的声发射信号波形特征

陈 冲，吕 震，刘 兵，王 风，孔祥斌，李木森，2

（1.山东省超硬材料工程技术研究中心，邹城 273500；2.山东大学材料科学与工程学院，济南 250061；3.邹城市地震局，邹城 273500）

地震因其频发性和破坏性，成为人类面临的严重自然灾害之一。人类至今尚未完全掌握地震的孕育和发展规律，地震预报仍然是国际上未能攻克的重大科学难题之一。因此，研究新的地震活动信息实时采集方法，对地震活动信息进行科学表征、计算和分析，探索地震的孕育和演变规律，为地震的短临预报提供科学依据和定量判据，具有十分重要的现实意义。国内外相关研究人员在与地震活动相关的岩石力学、地球物理、地质结构和矿震监测等技术领域开展了许多声发射试验和理论研究，为地震监测和预报提供了重要的研究基础［1－8］。

大量历史记录和震例资料表明，地下水的映震能力强，反映比较灵敏，与地震孕育和发生有着密切关系，是进行地震监测预报和科学研究的重要手段［9－12］。深井水位记震能力反映的地下应力场状态随时间变化，作为地震前兆进行地震预报是一种效果比较理想的方法［13］。但是由于水位观测等记录数据仅对强震有所反应，对强震之前存在的小地震群的活动反应则不灵敏，因而不能满足地震预测的技术要求。在广泛调查和研究国内外有关声发射技术在地震活动性和强震预测研究领域的应用的基础上，欲以井水作为声发射传感器联接区域地质结构的耦合介质，采用水－声耦合法将地震波信息经深井水传递到设置的声发射传感器阵列。然后，由声发射仪进行实时采集、降噪、存储和分析，可以建立新的地震预测方法。

笔者采用一个模拟水井作为水－声耦合机构，用声波发生器在水井底部激发AE模拟信号，通过井水传递后，由波导杆导入到前置放大器，最后被全波形声发射信号分析仪接收。通过采集试验数据，分析经井水传递后AE模拟信号的波形特征，可以为研究水－声耦合法在地震波信号实时监测系统中的应用提供重要的试验依据。

1 试验方法

水－声耦合机构采用φ380mm×830mm铁圆筒模拟水井，将AE信号触发传感器固定在圆筒底部中心，并将此传感器与声波发生器相连接。圆筒中加满水后，用φ25mm×600mm的圆柱形波导杆插入水中，并固定。将AE信号接收传感器固定在波导杆顶部，并将此传感器连接到一个增益为40 dB的前置放大器，然后再与全波形声发射信号分析仪相连接。试验装置示意如图1所示。

设置一个对比试验，即将AE信号触发传感器直接与接收传感器相对接。这样，通过声波发生器发出的AE模拟信号不经任何传播介质直接被接收放大后，导入全波形声发射信号分析仪。试验装置示意如图2所示。

2 试验结果与分析

2.1 模拟水井中接收AE模拟信号的时域、频域分析

在模拟水井底部由声波发生器发出频率为150kHz、电压Vpp为500mV的AE模拟信号。信号通过模拟水井系统传递并被前置放大器放大后，由全波形声发射信号分析仪接收（记为试验1）。

图1 模拟水井试验装置示意

图2 对比试验装置示意

对比试验采用相同AE模拟信号，不经任何传播介质直接被接收放大后，导入全波形声发射信号分析仪（记为试验2）。此接收信号可近似视作仅被放大了的源信号。两者信号数据经Matlab软件进行时域分析；并经FFT变换后，进行频域分析。结果如图3所示。两试验中接收的AE模拟信号的特征参数如表1所示。

表1 两试验中接收的AE模拟信号的特征参数

由图3及表1可以看出，通过模拟水井系统传播后的AE模拟信号与源信号均为典型的突发型信号。但与源信号相比，AE模拟信号的幅度、振铃计数、总能量均明显减小。其中，幅度减小近99%，总能量减小近95%，振铃计数减少约70%，这是由于AE模拟信号在水介质中不传播横波，在经井水传播后表现为单一纵波的缘故。而AE模拟信号的持续时间与源信号相比增加约22%，这是由于AE模拟信号在模拟水井内壁多次反射等导致的结果。

2.2 基于小波变换的AE模拟信号能量对比分析

小波变换以其良好的时频局部特性可以把波形信号的特性分配到各个不同尺度的小波变换系数上，再通过对小波变换系数的分析与处理，能有效地从信号中提取有效信息。笔者从Daubechies小波中选择较为常用的db5小波作为小波基，对试验1和试验2中接收的AE模拟信号和AE源信号进行6级小波分解。各分解尺度的重构波形信号时域图及其对应的频谱图如图4，5所示。

图4，5中每个分解尺度的信号都表示一定频率范围内的信号。其中a6为第6层低频近似部分，d1～d6层为高频细节部分。图4可以看出，试验1中各分解尺度信号的持续时间均明显长于试验2；两者d3，d4，d5的幅值较高。从图5中可以看出，试验1的幅度在各分解尺度下均明显小于试验2，但两者在各个分解尺度下对应的频率分布是一致的。

声发射信号是能量突然释放的产物，能量反映了声发射源结构变化的剧烈程度，对门槛、工作频率和传播特性不甚敏感，所以常用于表征波源的内在状态以及波源类型的鉴别。两试验中接收的AE模拟信号和AE源信号经小波分解后，各尺度对应频带所占的能量比例如图6所示。

在图6中，1，2，3，4，5，6，7分别代表分解信号d1，d2，d3，d4，d5，d6，a6。可以看出，不同尺度下的分解信号所占的能量不同。d3，d4，d5所占能量较高，是两者信号构成中的主要部分。由图6及表1可以看出，虽然通过模拟水井系统传播后的AE模拟信号（试验1）与源信号（试验2）相比总能量大幅下降，但各分解层的能量比例变化不大，和源信号基本一致。这说明，在经井水传播后表现为单一纵波的AE模拟信号依然保持和AE源信号相同的内在能量状态。这对基于水－声耦合法用声发射检测仪实时采集地震波信号十分有利。

3 结论

（1）采用水－声耦合方法可以接收到模拟水井底部激发产生的声发射模拟信号。

（2）经模拟水井系统传播后的AE模拟信号与不经任何传播介质的AE源信号相比，其幅度、振铃计数、总能量明显下降，而持续时间则相对增加。

（3）经模拟水井系统传播后的AE模拟信号与不经任何传播介质的AE源信号相比，表现为单一纵波，而且与AE源信号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］马瑾，马文涛，马胜利，等.5°拐折构造变形物理场的试验研究与数值模拟［J］.地震地质，1995，17（4）：318－326.

［5］马胜利，陈顺云，刘培洵，等.断层阶区对滑动行为影响的试验研究［J］.中国科学 D辑：地球科学，2008，38（7）：842－851.

［6］路鹏，李志雄，陶本藻，等.震级频度与古登堡－里克特关系式偏离的前兆意义［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］国家地震局预测预防司编，地下流体地震预报方法［M］.北京：地震出版社，1997.

［10］耿杰，张昭栋，魏焕，等.唐山地震前后地下水动态图像及其形成演化模式［J］.地震地质，1998，20（3）：255－260.

［11］林淑真，李宗仰，陈暐家.台湾地区9.21及3.31地震的地下水位异常统计与介入分析［J］.地震地质，2003，26（4）：321－327.

［12］兰双双，迟宝明.汶川地震近区深层井孔－含水层系统水位异常响应研究［J］.水文地质与工程地质，2010，37（2）：1－5.

［13］胡先明.深井水位记震能力与地震预报［J］.大地测量与地球动力学，2007，27（6）：74－78.