一种应变场声发射事件时空强的测量方法

摘要

一种应变场声发射事件时空强的测量方法，步骤为：利用数字图像相关方法，获取材料或结构变形过程中一个表面的最大剪切应变场；将选定的图像分成若干个正方形像素块，根据最大剪切应变场，利用插值方法获得各像素块的最大剪切应变和各像素块中心坐标；确定各破坏像素块及各破坏像素块在测量间隔内释放的弹性应变能、释放弹性应变能的次数；查找相互连通的破坏像素块构成声发射事件；测量各声发射事件在测量间隔内释放的弹性应变能、空间位置、持续时间；确定各声发射事件在各测量间隔内释放的弹性应变能、空间尺度、持续时间的统计规律。优点是：本发明实现了对声发射事件的时空强的全方位测量，扩展了声发射技术的既有功能，应用前景广阔。

说明书

技术领域

本发明属于应变场测量技术领域，特别涉及一种应变场声发射事件时空强的测量方法。

背景技术

声发射技术是靠材料在受载条件下发射的弹性波来获取其内部状态和力学特性的一种实验方法。声发射技术可应用于实验室岩石类材料的微破裂测量、天然地震和矿井岩爆的监测和预报等多个领域。

基于声发射技术的实验结果强烈依赖于实验设备。虽然自70年代以来，国内外已经普遍采用了数字化全波形声发射测量系统，但由于存在动态范围不足与“死时间”等问题，使得声发射波形失真，声发射事件大量缺失，从而影响声发射的时空分布、一些统计量的可靠性以及对材料变形破坏过程的认识。声发射技术对于低频事件一般并不敏感。由于声发射系统多方面的差异，不同实验室的结果难于直接对比。随着时代的发展和技术的进步，上述问题已在一定程度上得到了克服，但仍无法根除。和过去相比，人们对材料变形破坏过程的研究在深度和广度上都有所超越，技术上的局限性严重阻碍了一些研究向前推进。

数字图像相关方法是材料或结构变形破坏过程中位移场和应变场观测的一种重要手段，其原理是通过比较变形前后两块像素子区的相关程度来实现子区中心点位移和子区应变的测量，具有实时观测、光路简单、精度高的特点。

声发射技术和数字图像相关方法有各自的适用领域，各具优势。前者适用于探测声发射事件的时空分布规律，后者适于探测位移场和应变场。目前，根据测量获得的应变场信息挖掘声发射事件的时空强分布规律还未见报道，此规律的获得有助于深刻认识材料的变形破坏过程。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种应变场声发射事件时空强的测量方法。该方法的具体步骤如下：

步骤1、利用数字图像相关方法，获取材料或结构变形破坏过程中一个表面的最大剪切应变场；

步骤1.1、利用拍摄设备采集材料或结构变形破坏过程中一个表面的图像，如果材料或结构表面没有天然纹理或天然纹理质量较差，需要利用涂料在材料或结构表面制作散斑场，任意相邻两张图像的拍摄时间间隔相同；

步骤1.2、选定若干张图像，设置子区尺寸、测点数目、测点位置和测点间距，利用数字图像相关方法测量材料或结构变形破坏过程中一个表面的应变场，所述测点应布置在选定的 第一张图像上；

步骤1.3、利用应变场获得最大剪切应变场；

步骤2、将选定的第一张图像分成若干个无间隔、无重叠、成行成列的正方形像素块，根据最大剪切应变场，利用插值方法获得各像素块的最大剪切应变和各像素块中心坐标；

步骤3、根据图像中各像素块的最大剪切应变和设置的强度参数，确定各破坏像素块，并分别确定各破坏像素块在测量间隔内释放的弹性应变能和各测量间隔释放弹性应变能的次数，所述测量间隔包括若干个能量释放计算间隔，所述能量释放计算间隔为任意相邻两张图像的拍摄时间间隔，所述破坏像素块为发生塑性变形的像素块；

步骤3.1、将声发射事件的能量释放计算间隔设置为任意相邻两张图像的拍摄时间间隔，同时设置测量间隔和测量间隔布置方式，所述测量间隔包括若干个能量释放计算间隔，所述测量间隔布置方式包括重叠布置、无缝不重叠布置和有缝布置，重叠布置是指两次相邻的测量间隔包含部分相同的能量释放计算间隔，无缝不重叠布置是指两次相邻的测量间隔紧邻且包含的能量释放计算间隔均不相同，有缝布置是指两次相邻的测量间隔有间隙，间隙部分的能量释放计算间隔不属于任何一次测量间隔，且两次相邻的测量间隔包含的能量释放计算间隔均不相同；

步骤3.2、根据图像中各像素块的最大剪切应变和设置的强度参数，确定破坏像素块，分别测量各破坏像素块在各能量释放计算间隔释放的弹性应变能；

步骤3.3、分别对各破坏像素块在各能量释放计算间隔释放的弹性应变能进行求和，获得各测量间隔内各破坏像素块释放的弹性应变能；

步骤3.4、分别测量各破坏像素块在各测量间隔内释放弹性应变能的次数；

步骤4、将任一个破坏像素块标记为i，i为声发射事件的标号，取为自然数，遍历与该像素块具有相同的点或相同的线的所有像素块，若这些像素块中存在破坏像素块，则这些破坏像素块同样标记为i，同样标记为i的破坏像素块组成一组相互连通的破坏像素块，构成一个声发射事件，同样标记为i的破坏像素块的数目为声发射事件的空间尺度，以此类推，找到应变场中所有的声发射事件，进而确定应变场中声发射事件的数目和各声发射事件的空间尺度，所述一组相互连通的破坏像素块由若干个具有相同的点或者相同的线的破坏像素块组成，所述各声发射事件的空间尺度为各声发射事件包含的破坏像素块的数目；

步骤5、将每组相互连通的破坏像素块在测量间隔内释放的弹性应变能求和，作为每个声发射事件在测量间隔内释放的弹性应变能；

步骤6、根据形心坐标公式，确定各声发射事件所在的空间位置；

步骤7、利用各破坏像素块在各测量间隔内释放弹性应变能的次数乘以能量释放计算间 隔，测量各破坏像素块释放能量的持续时间，通过对每组相互连通的破坏像素块释放能量的持续时间求均值或者求并集，确定各声发射事件在测量间隔内的持续时间；

步骤8、在各测量间隔内，确定各声发射事件释放的弹性应变能、各声发射事件的空间尺度、各声发射事件的持续时间的统计规律；

步骤8.1、在各测量间隔内，将各声发射事件释放的弹性应变能按最大值和最小值为首末端均分为能量释放若干等级、将各声发射事件的空间尺度按最大值和最小值为首末端均分为空间尺度若干等级、将各声发射事件的持续时间按最大值和最小值为首末端均分为持续时间若干等级；

步骤8.2、将各声发射事件释放的弹性应变能、各声发射事件的空间尺度、各声发射事件的持续时间分别划归入相应的等级中，并统计能量释放各等级的频次、空间尺度各等级的频次、持续时间各等级的频次，所述能量释放各等级的频次指能量释放各等级包含的相应的声发射事件的个数，所述空间尺度各等级的频次指空间尺度各等级包含的相应的声发射事件的个数，所述持续时间各等级的频次指持续时间各等级包含的相应的声发射事件的个数；

步骤8.3、利用能量释放各等级的数据，通过线性回归确定频次-能量释放关系，利用空间尺度各等级的数据，通过线性回归确定频次-空间尺度关系，利用持续时间各等级的数据，通过线性回归确定频次-持续时间关系。

有益效果：

本发明提出了一种应变场声发射事件时空强的测量方法，该方法采用拍摄设备采集材料或结构变形破坏过程中一个表面的图像，利用数字图像相关方法，获取材料或结构变形破坏过程中一个表面的应变场，根据图像中各像素块的最大剪切应变和设置的强度参数确定破坏像素块，通过在各测量间隔内确定图像中相互连通的破坏像素块并计算各相互连通的破坏像素块释放的弹性应变能，进而确定各声发射事件的空间尺度和各声发射事件释放的弹性应变能；通过统计各测量间隔内各破坏像素块释放弹性应变能次数，计算各破坏像素块释放能量的持续时间，进而确定各声发射事件的持续时间；最后利用统计方法确定频次-能量释放关系、频次-空间尺度关系、频次-持续时间关系，获得弹性应变能、空间尺度、持续时间三种统计量的演变规律。本发明实现了对声发射事件的时(持续时间)空(空间尺度)强(能量释放)的全方位测量，拓展了声发射技术的既有功能，应用前景广阔。

附图说明

图1为本发明的应变场声发射事件时空强的测量方法的流程图；

图2为本发明实施例的应变场中声发射事件的分布图；

图3为本发明实施例的8个破坏像素块在测量间隔内释放弹性应变能的示意图；

图4为本发明实施例的声发射事件空间尺度的分布图；

图5为本发明实施例的声发射事件能量释放的分布图；

图6为本发明实施例的声发射事件持续时间的分布图；

图7为本发明实施例的声发射事件空间尺度的排序图；

图8为本发明实施例的声发射事件能量释放的排序图；

图9为本发明实施例的声发射事件持续时间的排序图；

图10为本发明实施例的声发射事件频次-空间尺度的统计图；

图11为本发明实施例的声发射事件频次-能量释放的统计图；

图12为本发明实施例的声发射事件频次-持续时间的统计图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式做详细说明。一种应变场声发射事件时空强的测量方法，如图1所示：

步骤1、利用数字图像相关方法，获取材料或结构变形破坏过程中一个表面的最大剪切应变场；

步骤1.1、利用拍摄设备采集材料变形破坏过程中一个表面的图像，任意相邻两张图像的拍摄时间间隔均为0.2s；

步骤1.2、选定11张图像，设置子区尺寸为21×21像素，测点数目为10×15，测点成行成列等间距布置，测点间距为50像素，利用数字图像相关方法测量材料或结构变形破坏过程中一个表面的应变场，所述测点应布置在选定的第一张图像上；

步骤1.3、利用应变场获得最大剪切应变场，其中γ_max为最大剪切应变，ε_x、ε_y、γ_xy分别为x方向正应变，y方向正应变以及剪切应变。

步骤2、将选定的第一张图像分成无间隔、无重叠、成行成列的20×30个正方形像素块，根据获得的最大剪切应变场，利用插值方法获得各像素块的最大剪切应变和各像素块中心坐标。

步骤3、根据图像中各像素块的最大剪切应变和设置的强度参数，确定各破坏像素块，并分别确定各破坏像素块在测量间隔内释放的弹性应变能和各测量间隔释放弹性应变能的次数；

步骤3.1、设置声发射事件的能量释放计算间隔为任意相邻两张图像的拍摄时间间隔，设置测量间隔为10个能量释放计算间隔，设置测量间隔布置方式为无缝不重叠布置；

步骤3.2、根据图像中各像素块的最大剪切应变和设置的强度参数，确定破坏像素块，所述破坏像素块是发生塑性变形的像素块，若像素块的最大剪切应变大于设置的强度参数，则 认为该像素块发生了塑性变形，即γ_max≥γ_f，其中γ_f是设置的强度参数，取为0.2，分别计算各破坏像素块在各能量释放计算间隔释放的弹性应变能；

一个破坏像素块存储的弹性应变能的计算公式为：

$U=\frac{V}{2E}({\sigma }_1^2+{\sigma }_3^2-2{\mathrm{\mu \sigma }}_1{\sigma }_3)$

其中，E为弹性模量，取为20GPa，μ为泊松比，取为0.15，V为破坏像素块的面积乘以破坏像素块的厚度，破坏像素块的面积为25×25像素，破坏像素块的厚度取为25像素，σ₁和σ₃分别为第1和第3主应力，当σ₁和σ₃取为一个能量释放计算间隔开始时的值时，U＝U₁，当σ₁和σ₃取为一个能量释放计算间隔结束时的值时，U＝U₂，ΔU＝U₁-U₂即为一个能量释放计算间隔该破坏像素块释放的弹性应变能；

主应力σ₁和σ₃可由主应变求得：

${\sigma }_1=\frac{E}{1-{\mu }^2}({ϵ}_1+{\mathrm{\mu ϵ}}_3),{\sigma }_3=\frac{E}{1-{\mu }^2}({ϵ}_3+{\mathrm{\mu ϵ}}_1)$

其中，ε₁和ε₃分别为第1和第3主应变；

主应变ε₁和ε₃可由应变分量求得：

$\left(\begin{array}{c}{ϵ}_3\\ {ϵ}_1\end{array}\right)=\frac{{ϵ}_x+{ϵ}_y}{2}\pm \sqrt{{\left(\frac{{ϵ}_x-{ϵ}_y}{2}\right)}^2+{\left(\frac{{\gamma }_{xy}}{2}\right)}^2}$

步骤3.3、分别对各破坏像素块在各能量释放计算间隔释放的弹性应变能进行求和，获得各测量间隔内各破坏像素块释放的弹性应变能；

步骤3.4、分别统计各破坏像素块在各测量间隔内释放弹性应变能的次数。

步骤4、将任一个破坏像素块标记为i，i为声发射事件的标号，取为自然数，遍历与该像素块具有相同的点或相同的线的所有像素块，若这些像素块中存在破坏像素块，则这些破坏像素块同样标记为i，同样标记为i的破坏像素块组成一组相互连通的破坏像素块，构成一个声发射事件，同样标记为i的破坏像素块的数目为声发射事件的空间尺度，以此类推，找到应变场中所有的声发射事件，如图2所示，灰色像素块为破坏像素块，共84个，其中8个破坏像素块在测量间隔内的各能量释放计算间隔释放的弹性应变能如图3所示，84个破坏像素块共构成50个声发射事件，确定应变场中声发射事件的数目和各声发射事件的空间尺度，如图4和图7所示，图4展示了各声发射事件空间尺度的分布图，声发射事件空间尺度越小，其对应的圆形面积越小，图7中各声发射事件已按照声发射事件空间尺度的大小重新标号，空间尺度越小，标号越小，空间尺度为1的声发射事件最多，达到30个，空间尺度为3的声发射事件最少，为2个。

步骤5、将每组相互连通的破坏像素块在测量间隔内释放的弹性应变能求和，作为每个声发射事件在测量间隔内释放的弹性应变能，如图5和图8所示，图5展示了各声发射事件能量释放的分布图，声发射事件能量释放越小，其对应的圆形面积越小，图8中各声发射事件已按照声发射事件释放弹性应变能的大小重新编号，释放弹性应变能越小，编号越小。

步骤6、根据形心坐标公式，确定各声发射事件所在的空间位置，其中x_c、y_c、z_c为一个声发射事件所在的空间位置坐标，x_i、y_i、z_i为一个声发射事件中m个破坏像素块的中心坐标，S_i为一个声发射事件中各破坏像素块的面积，m为一个声发射事件包含的破坏像素块的数目，为一个声发射事件各破坏像素块的面积之和。

步骤7、利用各破坏像素块在各测量间隔内释放弹性应变能的次数乘以能量释放计算间隔，测量各破坏像素块释放能量的持续时间，通过对每组相互连通的破坏像素块释放能量的持续时间求均值或者求并集，确定各声发射事件在测量间隔内的持续时间，如图6和图9所示，图6展示了各声发射事件持续时间的分布图，声发射事件持续时间越短，其对应的圆形面积越小，图9中各声发射事件以按照声发射事件持续时间的长短重新编号，持续时间越短，编号越小。

步骤8、在各测量间隔内，确定各声发射事件释放的弹性应变能、各声发射事件的空间尺度、各声发射事件的持续时间的统计规律；

步骤8.1、在各测量间隔内，将各声发射事件的空间尺度按最大值和最小值为首末端均分为4个空间尺度等级、将各声发射事件释放的弹性应变能按最大值和最小值为首末端均分为5个能量释放等级、将各声发射事件的持续时间按最大值和最小值为首末端均分为5个持续时间等级；

步骤8.2、将各声发射事件释放的弹性应变能、各声发射事件的空间尺度、各声发射事件的持续时间分别划归入相应的等级中，统计空间尺度各等级的频次，如图10所示，统计能量释放各等级的频次，如图11所示，统计持续时间各等级的频次，如图12所示；

步骤8.3、利用能量释放各等级的数据，通过线性回归确定频次-能量释放关系，利用空间尺度各等级的数据，通过线性回归确定频次-空间尺度关系，利用持续时间各等级的数据，通过线性回归确定频次-持续时间关系。