一種沙壤振動(dòng)傳播性能測(cè)試盒及測(cè)試方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種沙壤振動(dòng)傳播性能測(cè)試盒及測(cè)試方法，該測(cè)試盒由矩形盒體構(gòu)成，將4個(gè)沙壤振動(dòng)傳播性能測(cè)試盒埋于沙壤中，采用錘擊法直接激勵(lì)埋于沙壤內(nèi)的其中一個(gè)沙壤振動(dòng)傳播性能測(cè)試盒，產(chǎn)生脈沖激勵(lì)信號(hào)；將其他沙壤振動(dòng)傳播性能測(cè)試盒上傳感器采集到的激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行處理，并得到測(cè)試結(jié)果。本發(fā)明利用錘擊法進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，并利用金屬空心矩形盒體采集振動(dòng)信號(hào)以確定沙壤的振動(dòng)傳播特性，矩形盒體的振動(dòng)相應(yīng)特性遠(yuǎn)在沙壤傳播范圍以外的結(jié)構(gòu)，有利于表面波的產(chǎn)生和測(cè)試，同時(shí)也利于激勵(lì)和振動(dòng)傳播。
【專利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種松散固體介質(zhì)振動(dòng)傳播性能測(cè)試的測(cè)試裝置及測(cè)試方法，尤其適 用于沙壤這樣顆粒粉末狀不連續(xù)的固體振動(dòng)傳播性能測(cè)試的測(cè)試盒及測(cè)試方法。 一種沙壤振動(dòng)傳播性能測(cè)試盒及測(cè)試方法

【背景技術(shù)】
[0002] 沙壤作為振動(dòng)通訊的介質(zhì)，是動(dòng)物通過(guò)振動(dòng)傳播信息和捕獲獵物的中介，為了研 究沙壤中信號(hào)振動(dòng)傳播，需要進(jìn)行相應(yīng)的振動(dòng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，
[0003] 文獻(xiàn) 1 (Sending Soil Vibration Signals to Lekking Prairie Mole Cricket Males)論述了草原螻蛄通過(guò)土壤振動(dòng)信號(hào)之間的傳遞進(jìn)行通訊。其中文中所述聲音在土壤 中振動(dòng)傳遞的測(cè)試方法用地震檢波器進(jìn)行測(cè)量。
[0004] 文獻(xiàn) 2 (Vibration Sensitivity and a Computational Theory for Prey-Localizing Behavior in Sand Scorpions)該文中論述沙子蝎能夠感知沙壤中振動(dòng) 信息以捕獲食物，用加速度計(jì)（帶電源的Bruel&Kja er4370，Bruel&Kjaer，2635)，在干的沙 地和濕的沙地分別做試驗(yàn)，用磁體托舉距離沙壤地面15cm的小鋼球（3. 9g和6. 3g)然后落 地以產(chǎn)生人為激勵(lì)，然后在距離鋼球落地位置21. 5cm和81. 5cm處用加速度計(jì)測(cè)量激勵(lì)波。 [0005] 文獻(xiàn)3 土壤密實(shí)度瞬態(tài)振動(dòng)測(cè)試的分析方法研究，文中用瞬態(tài)錘擊法測(cè)試土壤的 加速度信號(hào)和力信號(hào)（靳建明.土壤密實(shí)度瞬態(tài)振動(dòng)測(cè)試方法研究，杭州，浙江大學(xué)博士學(xué) 位論文）；而沙壤的松散性使得振動(dòng)激勵(lì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，所以必須研究了沙壤振動(dòng)傳播測(cè)試裝 置以及相應(yīng)的方法。
[0006] 現(xiàn)有的各種振動(dòng)傳播測(cè)試裝置都是把傳感器和測(cè)試介質(zhì)直接接觸，適用于連續(xù)固 體介質(zhì)，不適用于像沙壤這樣顆粒狀的固體松散介質(zhì)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種沙壤振動(dòng)傳播性能測(cè)試盒及測(cè)試方法，以解決現(xiàn)有技 術(shù)中振動(dòng)傳播性能測(cè)試無(wú)法應(yīng)用于類似于沙壤顆粒粉末狀固體介質(zhì)的振動(dòng)傳播研究。
[0008] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種沙壤振動(dòng)傳播性能測(cè)試盒，由矩形盒體構(gòu)成，矩 形盒體的材料選用金屬材質(zhì)，該矩形盒體的第1階固有頻率為1859. 4Hz、第2階固有頻率為 2517. 3Hz、第3階固有頻率為2517. 4Hz，且矩形盒體的陣型為前3階彎曲變形。
[0009] 較佳地，上述的矩形盒體空心設(shè)計(jì)，外形尺寸為200X25 X 25mm，壁厚為1mm，材料 是不銹鋼，其彈性模量為2X 10nN/m2,泊松比為0. 3,密度為7. 8X 103kg/m3。
[0010] 較佳地，上述矩形盒體第1階振型為四個(gè)表面的彎曲變形，第2階振型是彎曲方向 平行于Χ0Υ平面的彎曲變形，第3階振型為彎曲方向垂直于Χ0Υ平面的彎曲變形。
[0011] 本發(fā)明中矩形盒體的振動(dòng)頻率遠(yuǎn)大于沙壤傳播頻率，可以用作測(cè)試中激勵(lì)承受和 相應(yīng)輸出的測(cè)試設(shè)備。
[0012] 本發(fā)明還提供一種沙壤振動(dòng)的測(cè)試方法，采用上述沙壤振動(dòng)傳播性能測(cè)試盒，測(cè) 試方法如下：
[0013] 1)將4個(gè)沙壤振動(dòng)傳播性能測(cè)試盒埋于沙壤中；
[0014] 2)采用錘擊法直接激勵(lì)埋于沙壤內(nèi)的其中一個(gè)沙壤振動(dòng)傳播性能測(cè)試盒，產(chǎn)生脈 沖激勵(lì)信號(hào)；
[0015] 3)將其他沙壤振動(dòng)傳播性能測(cè)試盒上傳感器采集到的激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行處理，并得到 測(cè)試結(jié)果。
[0016] 較佳地，上述步驟1)具體包括：將四個(gè)沙壤振動(dòng)傳播性能測(cè)試盒埋于沙壤中。
[0017] 較佳地，上述步驟1)具體還包括：將沙壤振動(dòng)傳播性能測(cè)試盒的頂端安裝水平方 向（x、Y)和垂直方向（Z)的振動(dòng)加速度傳感器，并將測(cè)試數(shù)據(jù)線將傳感器及數(shù)據(jù)采集分析 儀連接，及將采集儀的數(shù)據(jù)口與計(jì)算機(jī)連接。
[0018] 較佳地，上述的步驟2)中，被激勵(lì)的沙壤振動(dòng)傳播性能測(cè)試盒為激勵(lì)元件，其他 的沙壤振動(dòng)傳播性能測(cè)試盒為測(cè)試元件。
[0019] 較佳地，上述激勵(lì)元件和測(cè)試元件之間的距離為1000mm、2000mm、3000mm或 4000mm〇
[0020] 本發(fā)明的有益效果：
[0021] 本發(fā)明利用錘擊法（寬帶激勵(lì)）進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試，并利用金屬空心矩形盒體采集振 動(dòng)信號(hào)以確定沙壤的振動(dòng)傳播特性，矩形盒體的振動(dòng)相應(yīng)特性遠(yuǎn)在沙壤傳播范圍以外的結(jié) 構(gòu)，有利于表面波的產(chǎn)生和測(cè)試，同時(shí)也利于激勵(lì)和振動(dòng)傳播。計(jì)算和測(cè)試矩形盒體的前幾 階的固有振動(dòng)頻率，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室振動(dòng)方案驗(yàn)證和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該方法可以有效測(cè) 試沙壤的振動(dòng)傳播特性。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1為本發(fā)明沙壤振動(dòng)傳播性能測(cè)試盒于測(cè)試方案中的組成圖。
[0023] 圖2為本發(fā)明沙壤振動(dòng)傳播性能測(cè)試盒的結(jié)構(gòu)圖。
[0024] 圖3為本發(fā)明沙壤振動(dòng)測(cè)試方案中傳感器的布置圖。
[0025] 圖4為本發(fā)明沙壤振動(dòng)傳播性能測(cè)試盒網(wǎng)格劃分結(jié)果圖。
[0026] 圖5為本發(fā)明沙壤振動(dòng)傳播性能測(cè)試盒第1階振型分析結(jié)果圖。
[0027] 圖6為本發(fā)明沙壤振動(dòng)傳播性能測(cè)試盒第2階振型分析結(jié)果圖。
[0028] 圖7為本發(fā)明沙壤振動(dòng)傳播性能測(cè)試盒第3階振型分析結(jié)果圖。
[0029] 圖8a_8c分別為本發(fā)明測(cè)試方法中矩形邊長(zhǎng)為1000mm各測(cè)試點(diǎn)2、3、4的激勵(lì)信 號(hào)。
[0030] 圖9a_9c分別為本發(fā)明測(cè)試方法中矩形邊長(zhǎng)為2000mm各測(cè)試點(diǎn)2、3、4的激勵(lì)信 號(hào)。
[0031] 圖10a-10c分別為矩形邊長(zhǎng)為1000mm時(shí)測(cè)試點(diǎn)2的X、Y、Z向的時(shí)頻信號(hào)數(shù)據(jù)。
[0032] 圖lla-llc分別為矩形邊長(zhǎng)為1000mm時(shí)測(cè)試點(diǎn)2的Χ、Υ、Ζ向的頻響函數(shù)數(shù)據(jù)。
[0033] 圖12a_12c分別為矩形邊長(zhǎng)為1000mm時(shí)測(cè)試點(diǎn)2的X、Υ、Ζ向的相關(guān)函數(shù)數(shù)據(jù)。
[0034] 圖13a_13c分別為矩形邊長(zhǎng)為1000mm時(shí)測(cè)試點(diǎn)3的X、Y、Z向的時(shí)頻信號(hào)數(shù)據(jù)。
[0035] 圖14a-14c分別為矩形邊長(zhǎng)為1000mm時(shí)測(cè)試點(diǎn)3的X、Y、Z向的頻響函數(shù)數(shù)據(jù)。
[0036] 圖15a_15c分別為矩形邊長(zhǎng)為1000mm時(shí)測(cè)試點(diǎn)3的X、Y、Z向的相關(guān)函數(shù)數(shù)據(jù)。
[0037] 圖16a_16c分別為矩形邊長(zhǎng)為1000mm時(shí)測(cè)試點(diǎn)4的X、Υ、Ζ向的時(shí)頻信號(hào)數(shù)據(jù)。
[0038] 圖17a_17c分別為矩形邊長(zhǎng)為1000mm時(shí)測(cè)試點(diǎn)4的X、Y、Z向的頻響函數(shù)數(shù)據(jù)。
[0039] 圖18a_18c分別為矩形邊長(zhǎng)為1000mm時(shí)測(cè)試點(diǎn)4的X、Y、Z向的相關(guān)函數(shù)數(shù)據(jù)。
[0040] 圖19a-19c分別為矩形邊長(zhǎng)為2000mm時(shí)測(cè)試點(diǎn)2的X、Y、Z向的時(shí)頻信號(hào)數(shù)據(jù)。
[0041] 圖20a-20c分別為矩形邊長(zhǎng)為2000mm時(shí)測(cè)試點(diǎn)2的X、Y、Z向的頻響函數(shù)數(shù)據(jù)。
[0042] 圖21a-21c分別為矩形邊長(zhǎng)為2000mm時(shí)測(cè)試點(diǎn)2的X、Y、Z向的相關(guān)函數(shù)數(shù)據(jù)。
[0043] 圖22a-22c分別為矩形邊長(zhǎng)為2000mm時(shí)測(cè)試點(diǎn)3的X、Y、Z向的時(shí)頻信號(hào)數(shù)據(jù)。
[0044] 圖23a-23c分別為矩形邊長(zhǎng)為2000mm時(shí)測(cè)試點(diǎn)3的X、Y、Z向的頻響函數(shù)數(shù)據(jù)。
[0045] 圖24a-24c分別為矩形邊長(zhǎng)為2000mm時(shí)測(cè)試點(diǎn)3的X、Y、Z向的相關(guān)函數(shù)數(shù)據(jù)。
[0046] 圖25a-25c分別為矩形邊長(zhǎng)為2000mm時(shí)測(cè)試點(diǎn)4的X、Y、Z向的時(shí)頻信號(hào)數(shù)據(jù)。
[0047] 圖26a-26c分別為矩形邊長(zhǎng)為2000mm時(shí)測(cè)試點(diǎn)4的X、Y、Z向的頻響函數(shù)數(shù)據(jù)。
[0048] 圖27a-27c分別為矩形邊長(zhǎng)為2000mm時(shí)測(cè)試點(diǎn)4的X、Y、Z向的相關(guān)函數(shù)數(shù)據(jù)。
[0049] 圖28為本發(fā)明沙壤振動(dòng)的測(cè)試方法的步驟流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0050] 為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解，下面結(jié)合實(shí)施例與附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō) 明，實(shí)施方式提及的內(nèi)容并非對(duì)本發(fā)明的限定。
[0051] 參照?qǐng)D1至圖7所示，本發(fā)明的一種沙壤振動(dòng)傳播性能測(cè)試盒，由矩形盒體構(gòu)成， 矩形盒體的材料選用金屬材質(zhì)，該矩形盒體的第1階固有頻率為1859. 4Hz、第2階固有頻率 為2517. 3Hz、第3階固有頻率為2517. 4Hz，且矩形盒體的陣型為前3階彎曲變形。
[0052] 利用ANSYS對(duì)矩形盒體進(jìn)行模態(tài)分析，通過(guò)模態(tài)分析可以確定自然頻率、振型等 參數(shù)。
[0053] 上述該矩形盒體的外形尺寸為200X25X25mm，壁厚為1mm，材料是不銹鋼，其彈 性模量為2X 10nN/m2,泊松比為0. 3,密度為7. 8X 103kg/m3。
[0054] 定義材料特性：
[0055] 模型導(dǎo)入后，指定單元類型為Solidl86,定義材料類型時(shí)依次輸入彈性模量值為 "2ell"、泊松比為"(λ 3"、密度為"7800"。
[0056] 劃分單元：
[0057] 然后點(diǎn)擊"Meshing"劃分單元；點(diǎn)擊"SmartSize"進(jìn)行智能網(wǎng)格劃分，尺寸級(jí)別選 擇"6"；單元形狀為四面體"Tet"，然后選擇"Free"進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果如圖4:
[0058] 劃分得到的節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)如表1所示，表1為有限元網(wǎng)格劃分結(jié)果；
[0059] 表 1 :
[0060]

【權(quán)利要求】
1. 一種沙壤振動(dòng)傳播性能測(cè)試盒，其特征在于，由矩形盒體構(gòu)成，矩形盒體的材料選用 金屬材質(zhì)，該矩形盒體的第1階固有頻率為1859. 4Hz、第2階固有頻率為2517. 3Hz、第3階 固有頻率為2517. 4Hz，且矩形盒體的陣型為前3階彎曲變形。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的沙壤振動(dòng)傳播性能測(cè)試盒，其特征在于，上述的矩形盒體空 心設(shè)計(jì)，外形尺寸為200X25X25mm，壁厚為1mm，材料是不銹鋼，其彈性模量為2X10 nN/ m2,泊松比為0. 3,密度為7. 8X103kg/m3。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的沙壤振動(dòng)傳播性能測(cè)試盒，其特征在于，上述矩形盒體第1階 振型為四個(gè)表面的彎曲變形，第2階振型是彎曲方向平行于XOY平面的彎曲變形，第3階振 型為彎曲方向垂直于XOY平面的彎曲變形。
4. 一種沙壤振動(dòng)的測(cè)試方法，采用上述沙壤振動(dòng)傳播性能測(cè)試盒，其特征在于，該測(cè)試 方法包括： 1) 將4個(gè)沙壤振動(dòng)傳播性能測(cè)試盒埋于沙壤中； 2) 采用錘擊法直接激勵(lì)埋于沙壤內(nèi)的其中一個(gè)沙壤振動(dòng)傳播性能測(cè)試盒，產(chǎn)生脈沖激 勵(lì)信號(hào)； 3) 將其他沙壤振動(dòng)傳播性能測(cè)試盒上傳感器采集到的激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行處理，并得到測(cè)試 結(jié)果。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的沙壤振動(dòng)的測(cè)試方法，其特征在于，上述步驟1)具體包括： 將四個(gè)沙壤振動(dòng)傳播性能測(cè)試盒埋于沙壤中。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的沙壤振動(dòng)的測(cè)試方法，其特征在于，上述的步驟2)中，被激勵(lì) 的沙壤振動(dòng)傳播性能測(cè)試盒為激勵(lì)元件，其他的沙壤振動(dòng)傳播性能測(cè)試盒為測(cè)試元件。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的沙壤振動(dòng)的測(cè)試方法，其特征在于，上述激勵(lì)元件和測(cè)試元 件之間的距離為 1000mm、2000mm、3000mm 或 4000mm。
8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的沙壤振動(dòng)的測(cè)試方法，其特征在于，上述步驟1)具體還包括： 將沙壤振動(dòng)傳播性能測(cè)試盒的頂端安裝水平方向（X、Y)和垂直方向（Z)的振動(dòng)加速度傳感 器，并將測(cè)試數(shù)據(jù)線將傳感器及數(shù)據(jù)采集分析儀連接，及將采集儀的數(shù)據(jù)口與計(jì)算機(jī)連接。
9. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的沙壤振動(dòng)的測(cè)試方法，其特征在于，上述步驟1)中4個(gè)沙壤 振動(dòng)傳播性能測(cè)試盒處于一個(gè)平面。
【文檔編號(hào)】G01N29/04GK104101645SQ201410329188
【公開日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年7月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月10日
【發(fā)明者】岳林, 駱銀河, 陳飛翔 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)