作者：邹银辉
摘　要:声发射信号在波导器中的传播规律是声发射预测煤岩动力灾害技术的一个重要因素。根据声发射传播的相关理论, 采用标准激震源法, 考察了不同尺寸波导器中声发射响应情况, 采用DEWE3010 虚拟仪器系统分析了声发射信号时域波谱及频域谱变化规律等,在此基础上统计分析了波导器尺寸、波导器与煤岩块接触程度,以及波导器弯曲程度对声发射信号的事件数、事件及振幅变化率的影响。试验结果可为声发射预测煤岩动力灾害提供技术指导。
关键词:声发射;有限波导器;事件数;振幅;传播规律
通过20 余年的研究,我国在煤岩动力灾害声发射预警技术方面取得了大量的研究成果,某些领域已成功应用,但声发射传播规律研究相对滞后。前人研究重点是预警工艺和仪器设备,实验室研究方面主要进行了煤岩单轴受载条件下声发射特征等基础研究,没有系统研究声发射波在各类波导器中的传播特性、煤岩体中的传播与衰减规律等,波导器的设计与安装等主要凭经验进行,这直接影响了传感器的安装工艺及效果,影响了声发射信号数据反演分析的可靠性,造成声发射技术预测煤岩动力灾害失灵现象时有发生,进而造成了煤岩动力灾害声发射预警技术未能完全形成实用的技术体系,延迟了声发射预测技术的完全实用化。笔者在实验室研究了波导器尺寸对声发射传播规律的影响。
1 　声发射信号传播规律的理论基础煤岩块与波导器组成的导波组件的材料属非完全弹性体,弹性应力波在其传播过程中都要发生波
动能量损失。AE 波在传播过程中振幅变化可用下式表示:

由式(1) 可知,声发射波在其传播过程中的衰减主要取决于声发射频率、传播速度、传播距离以及材料的品质因子等。
2 　声发射传播规律研究的试验方案
根据对声发射传播规律的认识,设计了在实验室条件下,利用DEWE3010 虚拟仪器系统,采用标准激震源法激发煤岩块声发射响应特征试验,考察不同尺寸的波导器对声发射传播规律的影响。
2. 1 　试验方案
试验方案示意图见图1 ,主要考察波导器中声发射响应情况,即声发射信号的时域谱、频率谱、振幅变化率、事件数及各类事件的变化情况。

2. 2 　试件参数
波导器材料为钢材,为了考察波导器几何尺寸对声发射信号的响应情况,设计了如下类型:当波导器直径为5 mm 时,其长度分别为0. 1 ,0. 5 ,1 ,3 ,5 m的波导器,主要考察波导器长度变化对声发射信号的影响;当波导器长度为0. 3 m时,其直径分别为5 ,10 ,20 ,40 mm的波导器,主要考察波导器直径变化对声发射信号的影响。
3 　试验结果及分析
声发射信号事件分为微事件、小事件、中事件及大事件,分别用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ及Ⅳ表示,每个事件又分为两级,即Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅱ1、Ⅱ2、Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅳ1、Ⅳ2。
3. 1 　振幅变化率随波导器长度的变化
声发射信号振幅变化率随波导器长度的变化如图2 所示。由图2 可知,声发射信号振幅变化率随波导器长度的增大而衰减,长度1 m 以前衰减不明显,而1 m 以后衰减迅速增大。在声发射信号振幅不变的情况下,可以得出声发射信号强度随波导器长度的增加而呈指数衰减的结论。

3. 2 　事件数随波导器长度的变化
图3 中,波导器与煤岩块接触良好时,波导器长度从0. 1 m到1 m 事件数变化不大,而从1 m 到5 m事件数增加。

3. 3 　事件数随波导器直径的变化
由图4 可知,声发射事件数随波导器直径的增加,除微事件以外,其余的变化不大。

3. 4 　波导器与煤岩块接触程度对声发射事件的影响
从图5 可以看出,波导器与煤岩块的接触程度对微事件影响较大,对小、中、大事件影响较小,实际应用中应以小、中、大事件统计信号为准。

3. 5 　波导器弯曲程度对声发射事件的影响
从图6 可以看出,波导器弯曲程度对微事件影响较大,对小、中、大事件影响较小,同样证明实际应用中应以小、中、大事件统计信号为准。

4 　主要结论
1) 声发射信号振幅变化率随波导器长度的增大而衰减,在声发射信号振幅不变的情况下可以得出声发射信号强度随波导器长度的增加呈指数衰减的结论。
2) 声发射信号事件数随波导器长度变化,当波导器与煤岩块接触良好时,波导器长度从0. 1 m到1 m事件数变化不大,而从1 m 到5 m 变化增大。
3) 声发射事件数随波导器直径的增加,除微事件以外,其余都基本无变化。
4) 波导器与煤岩块的接触程度对微事件影响较大,对小、中、大事件影响较小;波导器弯曲程度对微小事件影响较大,对小、中、大事件影响较小。实际应用中应以小、中、大事件统计信号为准。