本發(fā)明涉及一種巖石在外力作用下損傷動態(tài)特性的評價方法，特別是涉及一種適用于衡量巖石在外力作用下微觀損傷的動態(tài)演化指標，屬于巖石力學與巖土工程領域。

背景技術：

1、巖石損傷問題廣泛出現在礦山、隧道、水利等工程中。在外力作用下，巖石常出現復雜的變形和破壞，影響工程的安全性和穩(wěn)定性。巖石破壞具有突發(fā)性、時空不確定性和非線性等特征，傳統(tǒng)的損傷評估方法難以準確預測破壞過程。因此，如何實時監(jiān)測并評估巖石的損傷動態(tài)特性，成為巖石力學領域的核心問題。

2、目前，巖石損傷評估方法多依賴于應力應變測試和微觀結構分析等手段，主要關注破壞后的宏觀評估，難以揭示破壞過程中的微觀損傷演化。聲發(fā)射技術作為一種重要的監(jiān)測手段，在巖石破壞過程中得到廣泛應用，能夠通過檢測巖石破裂時釋放的信號獲得損傷狀態(tài)信息。然而，現有聲發(fā)射技術多側重于信號的幅值和頻率分析，缺乏對復雜破壞過程的微觀解析，尤其在高頻復雜信號處理中，現有方法難以精確識別不同階段的微觀損傷。

3、為克服現有技術的不足，近年來，基于shannon信息熵的ae熵參數得到提出。ae熵能夠通過量化幅值分布的不確定性，獨立于閾值和其他時域參數，能有效反映微觀結構變形過程，并能區(qū)分不同的損傷階段，可靠地識別臨界損傷。然而，在巖石材料的復雜損傷過程中，該方法依然存在無法精確定位微觀損傷發(fā)生時刻和評估微觀損傷劇烈程度的局限。

4、因此，亟需一種新方法，克服現有技術的不足，提供更精確的實時損傷監(jiān)測與評估手段。

技術實現思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供了一種基于相空間重構與樣本熵的巖石損傷動態(tài)特性評價方法。該方法結果直觀明確，可對巖石在外力作用下損傷的動態(tài)特性作出定量評價。

2、為了達到上述目的，本發(fā)明采取的技術方案如下：

3、一種基于相空間重構與樣本熵的巖石損傷動態(tài)特性評價方法，所述巖石損傷動態(tài)特性評價方法首先，進行巖石破壞過程的實時聲發(fā)射監(jiān)測，獲取聲發(fā)射事件的波形數據，并對其進行相空間重構。其次，使用自相關函數法選擇延遲時間，并通過信息維數法和樣本熵選擇嵌入維數。第三，基于相空間重構，計算聲發(fā)射事件的動態(tài)演化指標，反映巖石損傷的動態(tài)特性。最后，在巖石破壞過程中，對每個聲發(fā)射事件的波形數據重復上述過程，實時評估巖石的損傷動態(tài)特性。包括以下步驟：

4、s1、對巖石在外力作用下的破壞過程進行實時聲發(fā)射監(jiān)測，獲取所有聲發(fā)射事件的波形數據；

5、s2、對單個聲發(fā)射事件的波形數據進行相空間重構；

6、對s1所得的單個聲發(fā)射事件的波形數據，按時間順序記錄波形數據中每個采樣點的電壓為x1,x2,...,xn，構成1維的時間序列{x1,x2,...,xn}，n為單個聲發(fā)射事件的總采樣數；

7、對單個聲發(fā)射事件的波形數據選擇合適的延遲時間τ和嵌入維數m，按時間順序構建相空間向量x(t)，每個相空間向量x(t)由時間序列中相隔τ時間的m個點組成：

8、x(t)＝(x(t),x(t+τ),x(t+2τ),...,x(t+(m-1)τ))(1)

9、假設某個聲發(fā)射波形數據選擇的延遲時間τ和嵌入維數m分別為2和3，則其構建的相空間向量如下：

10、x(1)＝(x(1),x(3),x(5)),x(2)＝(x(2),x(4),x(6)),x(3)＝(x(3),x(5),x(7)),…

11、對單個聲發(fā)射事件的波形數據進行相空間重構，將1維的時間序列構建成眾多m維相空間向量，將眾多相空間向量組成m維的相空間；

12、s21、使用自相關函數法選擇延遲時間；

13、s211、對s1所得的單個聲發(fā)射事件的波形數據使用自相關函數法選擇延遲時間，定義自相關函數r(τ)是波形數據與自身在不同延遲時間τ下的相關性度量，所述自相關函數的計算公式公式為：

14、

15、其中，xt和xt+τ分別表示波形數據在按時間順序記錄后序號t和序號t+τ的電壓值；表示波形數據的電壓均值；n是波形數據的總采樣點數；τ是延遲時間，表示相空間重構時相空間向量x(t)內點的時間間隔；

16、s212、對s211所得的自相關函數r(τ)，選擇自相關函數的首個為整數的零點，作為相空間重構的延遲時間τ；

17、進一步的，所述的自相關函數的首個為整數的零點可能不存在，為了符合時間間隔為整數的要求，需要選擇非整數零點進行取整；

18、s22、使用信息維數法和樣本熵選擇嵌入維數；

19、在信息維數法中，波形數據的熵可以用來評估不同嵌入維數下相空間重構的復雜度，并幫助選擇最優(yōu)的嵌入維數；樣本熵是一種常用的非線性復雜度度量方法,它克服了近似熵對相同模式的敏感性，并且計算上更精確；

20、s221、使用樣本熵選擇嵌入維數的具體計算步驟如下：

21、使用s21確定的延遲時間τ和暫時假設的嵌入維數m，對s1所得的單個聲發(fā)射事件的波形數據構建眾多相空間向量x(t)；

22、對眾多相空間向量兩兩組合成向量對，對每對相空間向量x(ti)和x(tj)，計算對內向量之間的歐式距離d(x(ti),x(tj))。如果d(x(ti),x(tj))小于等于設定的容忍度γ，則認為這對向量是相似的；如果大于設定的容忍度，則認為這對向量是不相似的；

23、進一步的，所述容忍度γ為波形數據中最大絕對值電壓的5％～10％；

24、進一步的，所述對內向量之間的歐式距離d(x(ti),x(tj))的計算公式為：

25、

26、其中，z表示相空間向量x(t)內點xt的時間間隔的倍數；

27、s222、對暫設的嵌入維數m，計算相似向量對占總向量對的比例km，再計算鄰近維數對m和m+1下的樣本熵e(m)，所述樣本熵的計算公式為：

28、

29、其中，km和km+1分別表示暫設維數m和m+1下相似向量對占總向量對的比例；

30、s223、對s222所得的樣本熵e(m)，選擇樣本熵將趨于平穩(wěn)或不再明顯下降時的嵌入維數，作為相空間重構的嵌入維數m；

31、s3、計算單個聲發(fā)射事件的動態(tài)熵演化指標；

32、使用s21確定的延遲時間和s22確定嵌入維數，對s1得到的單個聲發(fā)射事件的波形數據進行相空間重構。相空間內平均相鄰相空間向量的變化量揭示了聲發(fā)射事件對應巖石破壞的動態(tài)特性，將其定義為動態(tài)演化指標di，計算公式為：

33、di＝avg(‖x(t)-x(t-1)‖)(5)

34、其中，‖x(t)-x(t-1)‖是聲發(fā)射事件波形數據重構形成的相空間中相鄰時間序號之間向量變化量；

35、s4、隨著破壞進行，對于下一個聲發(fā)射事件的波形數據重復s2到s3的操作，進而得出整個巖石破壞過程中的動態(tài)演化指標，實時地清晰地對巖石的損傷動態(tài)特性進行評價。

36、與現有技術相比，本發(fā)明的有益效果為：

37、巖石的破壞過程通過聲發(fā)射波形數據的變化只能簡單體現，而聲發(fā)射信號中潛藏的復雜動態(tài)變化通常難以直接從波形數據中提取。為了精確揭示巖石破壞過程中的微觀變化，本發(fā)明提出了一種新型的巖石損傷動態(tài)特性評價指標——動態(tài)演化指標di。具體而言：

38、(1)本發(fā)明首先對聲發(fā)射波形數據進行相空間重構，將一維時間序列轉化為高維相空間中的相空間向量。隨著外力的持續(xù)作用和破壞的持續(xù)進行，相空間向量在高維空間中不斷變化，相鄰相空間向量之間的變化量能夠精確反映巖石材料在變形與破壞過程中的微觀損傷演化。通過計算相鄰相空間向量的變化量，并取其平均值，得到動態(tài)演化指標di，該指標能夠揭示聲發(fā)射信號中的動態(tài)變化特性，尤其是與巖石微觀損傷相關的細微變化。

39、(2)動態(tài)演化指標具有顯著的應用價值。它能夠直觀、清晰地呈現巖石在外力作用下的損傷演化過程，尤其是微觀損傷的演變過程，有助于評估巖石材料的健康狀況與破壞風險，為巖石材料的設計與安全控制提供重要依據。