[发明专利]一种基于声音信号波形变化特征的应变型岩爆预警方法

摘要

一种基于声音信号波形变化特征的应变型岩爆预警方法，包括以下步骤采集应变型岩爆破坏过程中的声音信号并传输给声音信号处理系统，声音信号处理系统先进行降噪处理，再绘制并分析声音信号波形图，岩爆发生的主要前兆信息为声音信号幅值在一段较长时间的小幅值波动后，突然出现一小段时间的高幅值声音信号，且随后出现持续的低幅值声音信号的“相对平静期”；再绘制时间分形维数值随时间变化曲线，岩爆发生的又一前兆信息“时间分形维数值持续增加到较大值后，一段时间内持续下降并逼近历史最低值”；最后以发出高分贝声音或变化屏幕图形的形式进行报警。本发明属于非接触式监测手段，具有安装操作安全、信号可靠稳定的优点。

主权项

一种基于声音信号波形变化特征的应变型岩爆预警方法，包括以下步骤：（1）利用声音信号采集设备实时采集应变型岩爆破坏过程中的声音信号，利用声音信号传输系统将采集到的声音信号传输给声音信号处理系统，声音信号处理系统对采集到的声音信号进行实时记录和分析；（2）声音信号处理系统先对采集到的声音信号进行降噪处理去除环境噪声的影响，再实时绘制降噪后的声音信号波形图；其特征在于，还包括以下步骤，（3）分析降噪后的声音信号波形图，将降噪后的声音信号波形图中出现的如下特征作为岩爆发生的主要前兆信息：声音信号幅值在一段较长时间的小幅值波动后，突然出现一小段时间的高幅值声音信号，且随后出现持续的低幅值声音信号的“相对平静期”；（4）对降噪后的声音信号进行等效化处理，绘制等效化幅值随时间变化曲线图，再进行声音信号波形的幅值的时间分形，绘制时间分形维数值随时间变化曲线，将时间分形维数值随时间变化曲线出现的如下特征作为岩爆发生的又一前兆信息：“时间分形维数值持续增加到较大值后，一段时间内持续下降并逼近历史最低值”；（5）当声音信号出现明显的如（3）与（4）所述的岩爆前兆信息时，则预示着该处有极大可能会发生应变型岩爆灾害，声音信号处理系统将会在服务器终端以发出高分贝声音或变化屏幕图形的形式进行报警；步骤（3）中，等效化幅值随时间变化曲线图的绘制方法如下：将声音信号波形图转成声音信号数字采样点数据，当声音信号处理系统第一次识别到幅值大于0.5的采样点时，依次读取采样点中幅值大于 0 的点，随后每100 个采样点为一组，取每组的幅值平均值，并将幅值平均值视为每组采样点所在的时间段内的等效化幅值，绘制等效化幅值随时间变化曲线图；时间分形维数值随时间变化曲线的绘制方法如下：根据幅值的变化相似性，将等效化幅值随时间变化曲线划分为m个大时间段，Ti为第i个大时间段的时长，i=1,2,…,m，再将各个大时间段分别平均划分为n个小时间段，tij为第i个大时间段下前j个小时间段的时长之和，j=1,2,…,n，根据几何分形学原理和相关声发射的分形计算理论，按式（1）分别求出第i个大时间段下的前j个小时间段对应的声音信号幅值随时间分布的相关积分，（1）式中：为第i个大时间段下的前j个小时间段内的幅值之和，j=1,2,…,n；Mi为第i个大时间段内的幅值总和，i=1,2,…,m，为确保声音信号幅值对时间存在明确的分形结构，声音信号幅值随时间分布的相关积分的对数值lg和小时间段时长的对数值lgtij需要保持良好的线性关系，否则重新选取时间段，通过调整大时间段的划分，确保所有的声音信号幅值随时间分布的相关积分的对数值lg和小时间段时长的对数值lgti存在线性关系后，由式（2）分别求出第i个大时间段的时间分形维数值，i=1,2,…,m，并绘制时间分形维数值随时间变化曲线，（2）。