一种沙壤振动传播性能测试盒及测试方法

一种沙壤振动传播性能测试盒及测试方法
【专利摘要】本发明公开了一种沙壤振动传播性能测试盒及测试方法，该测试盒由矩形盒体构成，将4个沙壤振动传播性能测试盒埋于沙壤中，采用锤击法直接激励埋于沙壤内的其中一个沙壤振动传播性能测试盒，产生脉冲激励信号；将其他沙壤振动传播性能测试盒上传感器采集到的激励信号进行处理，并得到测试结果。本发明利用锤击法进行振动测试，并利用金属空心矩形盒体采集振动信号以确定沙壤的振动传播特性，矩形盒体的振动相应特性远在沙壤传播范围以外的结构，有利于表面波的产生和测试，同时也利于激励和振动传播。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种松散固体介质振动传播性能测试的测试装置及测试方法，尤其适 用于沙壤这样颗粒粉末状不连续的固体振动传播性能测试的测试盒及测试方法。 一种沙壤振动传播性能测试盒及测试方法

【背景技术】
[0002] 沙壤作为振动通讯的介质，是动物通过振动传播信息和捕获猎物的中介，为了研 究沙壤中信号振动传播，需要进行相应的振动测试实验，
[0003] 文献 1 (Sending Soil Vibration Signals to Lekking Prairie Mole Cricket Males)论述了草原蝼蛄通过土壤振动信号之间的传递进行通讯。其中文中所述声音在土壤 中振动传递的测试方法用地震检波器进行测量。
[0004] 文献 2 (Vibration Sensitivity and a Computational Theory for Prey-Localizing Behavior in Sand Scorpions)该文中论述沙子蝎能够感知沙壤中振动 信息以捕获食物，用加速度计（带电源的Bruel&Kja er4370，Bruel&Kjaer，2635)，在干的沙 地和湿的沙地分别做试验，用磁体托举距离沙壤地面15cm的小钢球（3. 9g和6. 3g)然后落 地以产生人为激励，然后在距离钢球落地位置21. 5cm和81. 5cm处用加速度计测量激励波。 [0005] 文献3 土壤密实度瞬态振动测试的分析方法研究，文中用瞬态锤击法测试土壤的 加速度信号和力信号（靳建明.土壤密实度瞬态振动测试方法研究，杭州，浙江大学博士学 位论文）；而沙壤的松散性使得振动激励无法实现，所以必须研究了沙壤振动传播测试装 置以及相应的方法。
[0006] 现有的各种振动传播测试装置都是把传感器和测试介质直接接触，适用于连续固 体介质，不适用于像沙壤这样颗粒状的固体松散介质。


【发明内容】

[0007] 本发明的目的在于提供一种沙壤振动传播性能测试盒及测试方法，以解决现有技 术中振动传播性能测试无法应用于类似于沙壤颗粒粉末状固体介质的振动传播研究。
[0008] 为达到上述目的，本发明提供一种沙壤振动传播性能测试盒，由矩形盒体构成，矩 形盒体的材料选用金属材质，该矩形盒体的第1阶固有频率为1859. 4Hz、第2阶固有频率为 2517. 3Hz、第3阶固有频率为2517. 4Hz，且矩形盒体的阵型为前3阶弯曲变形。
[0009] 较佳地，上述的矩形盒体空心设计，外形尺寸为200X25 X 25mm，壁厚为1mm，材料 是不锈钢，其弹性模量为2X 10nN/m2,泊松比为0. 3,密度为7. 8X 103kg/m3。
[0010] 较佳地，上述矩形盒体第1阶振型为四个表面的弯曲变形，第2阶振型是弯曲方向 平行于Χ0Υ平面的弯曲变形，第3阶振型为弯曲方向垂直于Χ0Υ平面的弯曲变形。
[0011] 本发明中矩形盒体的振动频率远大于沙壤传播频率，可以用作测试中激励承受和 相应输出的测试设备。
[0012] 本发明还提供一种沙壤振动的测试方法，采用上述沙壤振动传播性能测试盒，测 试方法如下：
[0013] 1)将4个沙壤振动传播性能测试盒埋于沙壤中；
[0014] 2)采用锤击法直接激励埋于沙壤内的其中一个沙壤振动传播性能测试盒，产生脉 冲激励信号；
[0015] 3)将其他沙壤振动传播性能测试盒上传感器采集到的激励信号进行处理，并得到 测试结果。
[0016] 较佳地，上述步骤1)具体包括：将四个沙壤振动传播性能测试盒埋于沙壤中。
[0017] 较佳地，上述步骤1)具体还包括：将沙壤振动传播性能测试盒的顶端安装水平方 向（x、Y)和垂直方向（Z)的振动加速度传感器，并将测试数据线将传感器及数据采集分析 仪连接，及将采集仪的数据口与计算机连接。
[0018] 较佳地，上述的步骤2)中，被激励的沙壤振动传播性能测试盒为激励元件，其他 的沙壤振动传播性能测试盒为测试元件。
[0019] 较佳地，上述激励元件和测试元件之间的距离为1000mm、2000mm、3000mm或 4000mm〇
[0020] 本发明的有益效果：
[0021] 本发明利用锤击法（宽带激励）进行振动测试，并利用金属空心矩形盒体采集振 动信号以确定沙壤的振动传播特性，矩形盒体的振动相应特性远在沙壤传播范围以外的结 构，有利于表面波的产生和测试，同时也利于激励和振动传播。计算和测试矩形盒体的前几 阶的固有振动频率，进行了实验室振动方案验证和现场实验，结果表明该方法可以有效测 试沙壤的振动传播特性。

【专利附图】

【附图说明】
[0022] 图1为本发明沙壤振动传播性能测试盒于测试方案中的组成图。
[0023] 图2为本发明沙壤振动传播性能测试盒的结构图。
[0024] 图3为本发明沙壤振动测试方案中传感器的布置图。
[0025] 图4为本发明沙壤振动传播性能测试盒网格划分结果图。
[0026] 图5为本发明沙壤振动传播性能测试盒第1阶振型分析结果图。
[0027] 图6为本发明沙壤振动传播性能测试盒第2阶振型分析结果图。
[0028] 图7为本发明沙壤振动传播性能测试盒第3阶振型分析结果图。
[0029] 图8a_8c分别为本发明测试方法中矩形边长为1000mm各测试点2、3、4的激励信 号。
[0030] 图9a_9c分别为本发明测试方法中矩形边长为2000mm各测试点2、3、4的激励信 号。
[0031] 图10a-10c分别为矩形边长为1000mm时测试点2的X、Y、Z向的时频信号数据。
[0032] 图lla-llc分别为矩形边长为1000mm时测试点2的Χ、Υ、Ζ向的频响函数数据。
[0033] 图12a_12c分别为矩形边长为1000mm时测试点2的X、Υ、Ζ向的相关函数数据。
[0034] 图13a_13c分别为矩形边长为1000mm时测试点3的X、Y、Z向的时频信号数据。
[0035] 图14a-14c分别为矩形边长为1000mm时测试点3的X、Y、Z向的频响函数数据。
[0036] 图15a_15c分别为矩形边长为1000mm时测试点3的X、Y、Z向的相关函数数据。
[0037] 图16a_16c分别为矩形边长为1000mm时测试点4的X、Υ、Ζ向的时频信号数据。
[0038] 图17a_17c分别为矩形边长为1000mm时测试点4的X、Y、Z向的频响函数数据。
[0039] 图18a_18c分别为矩形边长为1000mm时测试点4的X、Y、Z向的相关函数数据。
[0040] 图19a-19c分别为矩形边长为2000mm时测试点2的X、Y、Z向的时频信号数据。
[0041] 图20a-20c分别为矩形边长为2000mm时测试点2的X、Y、Z向的频响函数数据。
[0042] 图21a-21c分别为矩形边长为2000mm时测试点2的X、Y、Z向的相关函数数据。
[0043] 图22a-22c分别为矩形边长为2000mm时测试点3的X、Y、Z向的时频信号数据。
[0044] 图23a-23c分别为矩形边长为2000mm时测试点3的X、Y、Z向的频响函数数据。
[0045] 图24a-24c分别为矩形边长为2000mm时测试点3的X、Y、Z向的相关函数数据。
[0046] 图25a-25c分别为矩形边长为2000mm时测试点4的X、Y、Z向的时频信号数据。
[0047] 图26a-26c分别为矩形边长为2000mm时测试点4的X、Y、Z向的频响函数数据。
[0048] 图27a-27c分别为矩形边长为2000mm时测试点4的X、Y、Z向的相关函数数据。
[0049] 图28为本发明沙壤振动的测试方法的步骤流程图。

【具体实施方式】
[0050] 为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说 明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。
[0051] 参照图1至图7所示，本发明的一种沙壤振动传播性能测试盒，由矩形盒体构成， 矩形盒体的材料选用金属材质，该矩形盒体的第1阶固有频率为1859. 4Hz、第2阶固有频率 为2517. 3Hz、第3阶固有频率为2517. 4Hz，且矩形盒体的阵型为前3阶弯曲变形。
[0052] 利用ANSYS对矩形盒体进行模态分析，通过模态分析可以确定自然频率、振型等 参数。
[0053] 上述该矩形盒体的外形尺寸为200X25X25mm，壁厚为1mm，材料是不锈钢，其弹 性模量为2X 10nN/m2,泊松比为0. 3,密度为7. 8X 103kg/m3。
[0054] 定义材料特性：
[0055] 模型导入后，指定单元类型为Solidl86,定义材料类型时依次输入弹性模量值为 "2ell"、泊松比为"(λ 3"、密度为"7800"。
[0056] 划分单元：
[0057] 然后点击"Meshing"划分单元；点击"SmartSize"进行智能网格划分，尺寸级别选 择"6"；单元形状为四面体"Tet"，然后选择"Free"进行自由网格划分，划分结果如图4:
[0058] 划分得到的节点数和单元数如表1所示，表1为有限元网格划分结果；
[0059] 表 1 :
[0060]

【权利要求】
1. 一种沙壤振动传播性能测试盒，其特征在于，由矩形盒体构成，矩形盒体的材料选用 金属材质，该矩形盒体的第1阶固有频率为1859. 4Hz、第2阶固有频率为2517. 3Hz、第3阶 固有频率为2517. 4Hz，且矩形盒体的阵型为前3阶弯曲变形。
2. 根据权利要求1所述的沙壤振动传播性能测试盒，其特征在于，上述的矩形盒体空 心设计，外形尺寸为200X25X25mm，壁厚为1mm，材料是不锈钢，其弹性模量为2X10 nN/ m2,泊松比为0. 3,密度为7. 8X103kg/m3。
3. 根据权利要求1所述的沙壤振动传播性能测试盒，其特征在于，上述矩形盒体第1阶 振型为四个表面的弯曲变形，第2阶振型是弯曲方向平行于XOY平面的弯曲变形，第3阶振 型为弯曲方向垂直于XOY平面的弯曲变形。
4. 一种沙壤振动的测试方法，采用上述沙壤振动传播性能测试盒，其特征在于，该测试 方法包括： 1) 将4个沙壤振动传播性能测试盒埋于沙壤中； 2) 采用锤击法直接激励埋于沙壤内的其中一个沙壤振动传播性能测试盒，产生脉冲激 励信号； 3) 将其他沙壤振动传播性能测试盒上传感器采集到的激励信号进行处理，并得到测试 结果。
5. 根据权利要求4所述的沙壤振动的测试方法，其特征在于，上述步骤1)具体包括： 将四个沙壤振动传播性能测试盒埋于沙壤中。
6. 根据权利要求4所述的沙壤振动的测试方法，其特征在于，上述的步骤2)中，被激励 的沙壤振动传播性能测试盒为激励元件，其他的沙壤振动传播性能测试盒为测试元件。
7. 根据权利要求6所述的沙壤振动的测试方法，其特征在于，上述激励元件和测试元 件之间的距离为 1000mm、2000mm、3000mm 或 4000mm。
8. 根据权利要求4所述的沙壤振动的测试方法，其特征在于，上述步骤1)具体还包括： 将沙壤振动传播性能测试盒的顶端安装水平方向（X、Y)和垂直方向（Z)的振动加速度传感 器，并将测试数据线将传感器及数据采集分析仪连接，及将采集仪的数据口与计算机连接。
9. 根据权利要求4所述的沙壤振动的测试方法，其特征在于，上述步骤1)中4个沙壤 振动传播性能测试盒处于一个平面。
【文档编号】G01N29/04GK104101645SQ201410329188
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月10日 优先权日:2014年7月10日
【发明者】岳林, 骆银河, 陈飞翔 申请人:南京航空航天大学