一种用于破岩的岩石共振频率优化方法及系统

本发明涉及一种用于岩石共振频率优化方法，具体为一种用于破岩的岩石共振频率优化方法及系统。

背景技术：

1、在岩石破碎工程中，传统破岩方法（如机械冲击、切削、爆破等）主要依赖强制施加超过岩石强度极限的静载或冲击动载。此类方式存在能量利用率低、能耗高、工具磨损大，且易在非目标区域造成过度损伤或非预期破碎等固有缺陷。近年来，基于岩石固有频率的共振破岩技术受到广泛关注，其核心思想是通过施加与岩石某一阶共振频率相匹配的交变载荷，使岩石内部产生累积性疲劳破坏或局部应力集中，从而显著降低破岩所需输入能量。然而，岩石作为一种多矿物复合、非均质、多孔隙且存在天然层理与微裂隙的复杂地质体，其振动响应呈现显著的非线性、各向异性及多尺度特征。不同测量位置（如表面不同点、不同深度层位）的局部共振频率往往存在差异，且整体岩石的“有效共振频率”会随激励强度、频率扫描方向、耦合条件等因素发生漂移，为共振破岩的工程应用带来巨大挑战。

2、现有技术中的，公开号为cn114280094a的专利文件中公开了一种激光熔融过冷液体射流冷热交变破岩方法，通过过冷液体射流和激光束对岩石试样的试验区域进行多次破坏试验，以获取经过多次破坏试验后岩石试样的表面的多个点位的多次试验温度信息多次试验图像信息的方法，但是该方法并未将破岩问题转化为最大化声子能量在岩石内部传输效率的优化问题，也未排除因岩石局部非均质性或耦合不良产生的宽而扁平的伪共振峰干扰；更未能实现对岩石目标层级的精准共振调控。因此，亟待提出一种高效且可靠的一种用于破岩的岩石共振频率优化方法及系统，以解决上述现有技术存在的不足。

3、在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于破岩的岩石共振频率优化方法及系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种用于破岩的岩石共振频率优化方法，具体步骤包括：

4、s1：设置频率间隔，获取扫描频率离散的扫描频率点，在目标岩石的表面均匀布置测量点，测量每个测量点在扫描频率点下的振动信号，将每个测量点的振动信号进行归一化；

5、s2：将归一化后的测量点的振动信号进行快速傅里叶变换，获取每个测量点的幅值谱，并基于幅值谱，计算每个测量点的功率谱密度，将所有测量点的功率谱密度进行平均计算，获取目标岩石在扫描频率点下的平均功率谱用来突出目标岩石的各层级的主导共振峰，其中，功率谱的峰值区域对应声子密度区域，峰值的幅度大小对应声子的激发强度；

6、s3：采用峰值检测法设置目标岩石的共振频率的识别条件，筛选满足识别条件的扫描频率点，采用频宽锐度法构建每个扫描频率点下的品质因子，将获得的品质因子与平均功率谱相乘，取结果的最大值，获取最优共振频率，完成目标岩石层级的共振频率的调控；

7、s4：基于最优共振频率，计算在最优共振频率下的岩石的最优平均功率谱，将最优平均功率谱与目标岩石在各个扫描频率点下的最大平均功率谱相除，构建声子能量传输效率；

8、s5：计算预设的理想能量传输效率与声子能量传输效率之间的差值，当差值大于0时，构建平均功率谱的权重比例系数，动态更新最优频率重新计算声子传输效率，直至差值小于0，实现破岩。

9、进一步地，所述获取每个测量点的振动信号，具体步骤为：

10、设定扫描的起始频率、终止频率以及频率步长，从起始频率开始，每次递增一个步长，依次生成下一个频率点，直到终止频率时停止，依次将每个离散的频率点进行编号，获取扫描频率离散的扫描频率点，在目标岩石的表面均匀布置预设数量的测量点，测量每个测量点在扫描频率点下的振动信号，将每个测量点的振动信号进行归一化。

11、进一步地，获取每个测量点的幅值谱，具体步骤为：

12、获取每个测量点的幅值谱的具体步骤包括：

13、在各扫描频率点下，对各测量点采集得到的归一化振动信号按照采样顺序形成离散采样序列；

14、对各离散采样序列进行快速傅里叶变换，将时域振动响应转换为频域振动响应；

15、读取变换后各频率分量对应的幅值信息，得到各测量点在对应扫描频率点下的幅值谱。

16、进一步地，获取目标岩石在扫描频率点下的平均功率谱，具体步骤为：

17、基于各测量点在各扫描频率点下的幅值谱，分别计算各测量点对应的功率谱密度；

18、按照扫描频率点对各测量点的功率谱密度进行对应整理；

19、对同一扫描频率点下全部测量点的功率谱密度进行平均处理，得到目标岩石在该扫描频率点下的平均功率谱。

20、进一步地，筛选满足识别条件的扫描频率点，具体步骤为：

21、筛选满足识别条件的扫描频率点的具体步骤包括：

22、按照扫描频率点的排列顺序，对平均功率谱进行逐点比较；

23、当当前扫描频率点对应的平均功率谱同时大于其左右相邻扫描频率点对应的平均功率谱，且大于预设平均功率谱阈值时，将该当前扫描频率点确定为满足识别条件的候选共振频率点；

24、将全部候选共振频率点构成候选共振频率集合。

25、进一步地，获取最优共振频率，具体步骤为：

26、以各候选共振频率点对应的共振峰为分析对象，确定该共振峰峰值一半处对应的左侧频率和右侧频率；

27、根据右侧频率与左侧频率之间的频宽构建对应候选共振频率点的品质因子，其中，频宽越小，对应的品质因子越高；

28、将各候选共振频率点的品质因子与对应的平均功率谱进行组合评价；

29、将组合评价结果最大的候选共振频率点确定为最优共振频率。

30、进一步地，构建声子能量传输效率，具体步骤为：

31、将最优共振频率作为更新后的扫描频率点，重新执行权利要求2的振动信号采集过程；

32、基于重新采集得到的振动信号，按照权利要求3和权利要求4的方法计算最优共振频率对应的平均功率谱；

33、将最优共振频率对应的平均功率谱与全部扫描频率点对应的平均功率谱中的最大值进行比值处理，得到声子能量传输效率。

34、进一步地，动态更新最优频率直至大于理想能量传输效率，具体步骤为：

35、计算声子能量传输效率与预设理想能量传输效率之间的差值；

36、当声子能量传输效率低于预设理想能量传输效率时，根据差值动态调整平均功率谱与品质因子在组合评价中的权重比例，并基于调整后的权重比例重新计算最优频率；

37、采用更新后的最优频率重新执行权利要求2至权利要求7步骤，重新获取声子能量传输效率；

38、重复上述更新过程，直至声子能量传输效率达到或高于预设理想能量传输效率；

39、在声子能量传输效率达到或高于预设理想能量传输效率后，保持更新后的最优频率对目标岩石施加振动激励，以实现破岩。

40、本发明还另外提供一种用于破岩的岩石共振频率优化系统，所述优化系统用于执行上述的优化方法，包括：

41、数据采集模块，用于设置频率间隔，获取扫描频率离散的扫描频率点，在目标岩石的表面均匀布置测量点，测量每个测量点在扫描频率点下的振动信号，将每个测量点的振动信号进行归一化；

42、强度计算模块，用于将归一化后的测量点的振动信号进行快速傅里叶变换，获取每个测量点的幅值谱，并基于幅值谱，计算每个测量点的功率谱密度，将所有测量点的功率谱密度进行平均计算，获取目标岩石在扫描频率点下的平均功率谱用来突出目标岩石的各层级的主导共振峰，其中，功率谱的峰值区域对应声子密度区域，峰值的幅度大小对应声子的激发强度；

43、频率提取模块，用于采用峰值检测法设置目标岩石的共振频率的识别条件，筛选满足识别条件的扫描频率点，采用频宽锐度法构建每个扫描频率点下的品质因子，将获得的品质因子与平均功率谱相乘，取结果的最大值，获取最优共振频率，完成目标岩石层级的共振频率的调控；

44、传输评估模块，用于基于最优共振频率，计算在最优共振频率下的岩石的最优平均功率谱，将最优平均功率谱与目标岩石在各个扫描频率点下的最大平均功率谱相除，构建声子能量传输效率；

45、效率优化模块，用于计算预设的理想能量传输效率与声子能量传输效率之间的差值，当差值大于0时，构建平均功率谱的权重比例系数，动态更新最优频率重新计算声子传输效率，直至差值小于0，实现破岩。

46、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

47、本方案通过引入平均功率谱作为岩石整体及各层级振动强度的综合度量，将功率谱峰值区域直接对应为声子密度区域、峰值幅度对应声子激发强度，从而将破岩问题转化为最大化声子能量在岩石内部传输效率的优化问题，从物理本质上突破了传统仅依靠单一测点幅值判断共振频率的局限性。在此基础上，方案进一步采用频宽锐度法构建品质因子，将共振峰的尖锐程度纳入最优频率评价指标，有效排除了因岩石局部非均质性或耦合不良产生的宽而扁平的伪共振峰干扰；通过将品质因子与平均功率谱相乘取最大值，确保了所选最优共振频率既具有强烈的整体振动激发能力，又具备高能量聚集特性，从而实现了对岩石目标层级的精准共振调控。