声发射技术是一种重要的岩石力学测试手段，其中参数分析和定位分析已广泛应用于岩石破坏特征的描述^[1]。然而，将一个复杂的声发射信号抽象成一系列的特征参数（振铃计数、能级、发生时间与位置等），难免会遗失信号所携带的一些重要信息。既然声发射是岩石微破裂能量快速释放而产生的瞬态弹性波，那么声发射信号中是否包含反映岩石微破裂特征的信息显然是一个值得深究的课题。

岩石的微破裂包括张破裂和剪破裂两类。本文将从波形频谱分析出发，揭示两类微破裂的频谱特征，以期加深对岩石破坏现象的理解。

利用频谱分析将声发射信号从复杂难懂的时域特征变成物理意义明确的频域特征，并进行统计分析，是研究声发射信号波形特征的有效途径。国外Armstrong^[2]最早开始了声发射试验的频谱特征研究，发现岩石破裂时声发射的高频成分多；Chugh等^[3]发现含水岩石的声发射主频相对于干燥岩石向低频方向移动；Read等^[4]对比研究了砂岩在干燥和饱和条件下的声发射主频特征；Ohnaka等^[5–6]阐述了统计分析对于声发射波形频谱特征研究的重要性，并发现较大的破坏容易释放高幅值低主频的波形。继刘新平等^[7]的工作之后，国内陆续开展了岩石声发射频谱特征研究^[8–20]，发现了一序列的规律性特征：如大理岩在临近破坏时存在向低频移动的趋势^[8]，荷载增加使声发射主频由低频向高频发展^[9,13]，双主频现象^[17,20]等。

但应该指出的是，受计算机技术和传感器设备的限制，早期的声发射信号采集较少，研究多集中于对个别声发射信号主频的描述，统计分析不足；研究多集中于岩石单轴压缩破坏下的声发射主频特征，其他加载条件的研究极少；研究也缺乏声发射主频特征与岩石破坏力学机制的关系。以四川省宝兴大理岩为研究对象，统计分析其在直接拉伸、巴西劈裂、单轴压缩等不同试验方法条件下的声发射主频特征，并尝试揭示声发射主频特征与岩石破坏力学机制的关系。

试验采用MTS815 Flex Test GT进行。声发射信号采集采用美国物理声学公司（PAC）生产的PCI-2系统；传感器选用Micro30，共8只，布置方式与文献[21]一致。控制方式为轴向位移控制，直接拉伸试验的加载速率为0.05 mm/min；巴西圆盘劈裂试验和单轴压缩试验为0.1 mm/min。巴西圆盘劈裂试验采用平板加载方式。

所有试验均保证力学加载系统与声发射采集系统的时间同步。试验装置与试件破坏后的典型形态见图1。

图1(Fig. 1)

图1 试验设备与大理岩破坏后形态 Fig. 1 Testing apparatus and failure patterns of marble

通过MATLAB编程，采用快速傅里叶变换（FFT）获取每个声发射信号的主频参数，结合力学采集系统所记录的时间和应力状态，汇总每个试件的加载时间、应力状态、对应信号的主频和幅值。数据处理流程见图2。

图2(Fig. 2)

图2 试验数据处理流程 Fig. 2 Flow chart of datas processing

岩石破坏声发射信号的频率一般都低于450 kHz，为更有效地呈现声发射信号的主频特征，将每个试件的声发射主频按照0～10、10～20、 $\cdots$ 、440～450 kHz分为45个主频段，大于450 kHz的单独分为一个主频段，共46个主频段。

直接拉伸试验、巴西圆盘劈裂试验和单轴压缩试验均完成了4个试样的声发射信号采集（分别表示为mt1～4、bm1～4、m1～4），各试样的主频特征统计成果分别见图3～5和表1。

图3(Fig. 3)

图3 直接拉伸试验大理岩声发射双主频特征 Fig. 3 Twin-peak frequencies of acoustic emission for marble specimen under direct tensile test

图4(Fig. 4)

图4 巴西圆盘劈裂试验大理岩声发射双主频特征 Fig. 4 Twin-peak frequencies of acoustic emission for marble specimen under Brazilian split tests

图5(Fig. 5)

图5 单轴压缩试验大理岩声发射双主频特征 Fig. 5 Twin-peak frequencies of acoustic emission for marble specimen under uniaxial compression tests

直接拉伸试验大理岩的声发射主频表现为明显的双主频带特征。其中，低主频带主要聚集于18～80 kHz（第2～8主频段），高主频带主要聚集于221～250 kHz（第23～25主频段）。直接拉伸试验更容易产生低主频的声发射信号，低主频带信号占比大于85.6%。

巴西圆盘劈裂试验大理岩的声发射主频也表现为双主频带特征。其中，低主频带主要聚集在18～90 kHz（第2～9主频段），高主频带主要聚集在201～280 kHz（第21～28主频段）。此外，在300～350 kHz范围内还存在少量的声发射主频分布。相对于直接拉伸试验，高主频带的数量明显增多，最低占比53.2%，均超过50%。

单轴压缩试验大理岩的声发射主频依然表现为双主频带特征。其中，低主频带主要聚集在21～100 kHz（第3～10主频段），高主频带主要聚集在201～260 kHz（第21～26主频段）。高主频带的数量明显高于低主频带的数量，最低占比63.7%。

虽然3类试验每个试样的高低主频带范围存在一定的波动，但全部试样的高、低主频带范围并无明显的差异。图6统计了全部试验成果的主频分布特征，低频带范围为17～90 kHz，高频带范围为210～250 kHz，与单个试样的主频分布基本一致。可见，双主频带现象是大理岩破坏的一种固有特性，与试验方法无关。

虽然不同试验大理岩的高、低主频带基本一致，但高、低主频带信号波形数占比的差别却较大。直接拉伸试验的低主频带信号占绝对优势，高主频带信号相对较少；巴西圆盘劈裂试验的高、低主频带信号相当，高主频带信号略多；单轴压缩试验的高主频带信号明显多于低主频带信号。考虑岩石微观破坏形式为拉、剪破坏两类，一种比较直观的推论就是上述两个主频带可能反映了两类破坏形式。

为论证上述推论，对两个主频带所对应的能量占比进行统计分析，结果见表1。直接拉伸试验的低主频带能量占比达到97%～100%，故可认为低主频带反映了岩石的微观拉破坏特征，高主频带反映了剪切特征。虽然直接拉伸试验岩石微破裂主要为拉破坏，但微缺陷或矿物颗粒间还是存在少量剪切破坏现象。巴西圆盘劈裂试验虽为一种间接拉伸试验方法，但从主频带或其能量占比来看，微观上拉伸破坏实际上居于次要地位。这可能是其试验结果高于直接拉伸强度的原因^[22]。单轴压缩试验的岩石破坏以剪切为主，拉伸破坏处于次要地位。

表1(Tab. 1)

表1 大理岩声发射主频特征统计 Tab. 1 Statistics of peak frequencies for marbles

表1 大理岩声发射主频特征统计 Tab. 1 Statistics of peak frequencies for marbles 试验方法 试样编号 低频带 高频带 波形数 范围/kHz 波形数占比/% 能量占比/% 范围/kHz 波形数占比/% 能量占比/% 直接拉伸 mt1 18～80 92.3 97.0 227～250 7.5 3.0 627 mt2 18～73 88.6 99.9 226～250 11.4 0.1 797 mt3 18～85 95.9 100.0 221～266 3.9 0.0 1 072 mt4 18～77 85.6 99.8 225～246 14.4 0.2 787 巴西圆盘劈裂 bm1 13～114 41.1 38.1 191～276 53.2 61.6 8 305 bm2 18～100 27.5 73.1 204～251 64.8 25.9 5 316 bm3 18～102 37.2 48.2 183～281 54.7 50.4 5 328 bm4 17～115 44.9 42.0 182～280 54.8 57.9 12 735 单轴压缩 m1 19～102 32.9 12.0 186～285 63.7 88.0 7 096 m2 18～111 34.2 25.5 188～270 65.3 74.5 38 649 m3 18～108 24.5 16.8 188～285 74.7 83.2 26 005 m4 18～103 18.4 38.9 202～284 81.4 61.1 47 492 全部试验 17～90 38.7 — 210～250 54.6 — 154 209

图6(Fig. 6)

图6 大理岩声发射的双主频特征 Fig. 6 Twin-peak frequencies of acoustic emission for marble

对宝兴大理岩在不同加载条件下的声发射主频特征进行了统计分析，取得的主要认识：

1）大理岩破坏的声发射信号存在双主频带现象。

2）双主频带与试验方法无关，反映了大理岩破坏的固有特性。

3）结合能量占比分析，初步认为双主频带反映了岩石的拉、剪微破裂特征，其中低主频带对应微观拉破裂，高主频带对应微观剪破裂。

岩石破坏声发射信号的双主频带现象是一个共性问题，但本文的力学机制分析很初浅，尚需进一步的理论分析和试验工作论证。