材料特性冲击声学响应测试模拟系统的制作方法

本发明涉及一种材料结构及强度特性的声学测试系统，一种用于岩石等硬性材料的测试技术，可在实验室测试平台上对材料进行冲击声学响应测试，并根据声学响应特性确定材料的结构及强度。属岩石力学及材料测试领域。

背景技术：

对材料强度特性的测试，通常采用材料试验机通过压缩、拉伸、剪切等试验获得材料的强度参数。例如，材料抗压强度、抗拉强度、抗剪强度及硬度等测试，材料密度、含水率等测试等。

在实验室进行材料强度测试，需要按照一定标准进行试件加工和试验。试件的加工和测试过程须严格遵守一定的标准，且为破坏性实验，很难针对产品进行直接无损测试。而且，测试结果因受试样加工精度、加载速率及试验机特性等影响，结果误差大，一致性差。

在进行材料结构的测试时，除进行电子显微镜、扫描电镜、透射电镜及各种射线仪等微观检测分析外，通常进行声波速率的对比实验以考察材料结构的完整性。但这些测试方法存在以下问题：(1)需要进行独立测试，难以同时测试材料的结构和强度；(2)通过电镜等方法只能对岩石材料的表面微结构进行观测，且试样加工、磨样及表面处理等程序复杂，准备时间长，难以对材料内部结构进行检测；(3)通过声波/超声波测试来判断材料的结构特性，需要进行信号波的输入-输出测量，且无法确定结构的组成和大小。

在现有的材料动力学测试系统中，分离式霍普金森杆(shpb)、施密特锤及摆锤试验是典型的材料动力学冲击测试系统。其中，shpb已成为材料动力学的标准测试方法。这些冲击试验方法为本发明的冲击模拟提供了技术基础。

本发明建立一种岩石材料特性冲击声学响应测试系统，在实验室冲击平台上对材料进行渐进式冲击测试，测量弹头和撞击杆的冲击速率、冲击能以及撞击杆与试样碰撞的音频特性，通过测试和分析，在试样无损条件下确定受荷材料的强度及结构等特性。

技术实现要素：

本发明的目的是建立一种材料特性冲击音频响应综合测试系统，可在一定的渐进循环荷载下进行冲击试验，实现基于音频特性的材料结构及强度特性测试。采用渐进式循环荷载，克服了单次冲击的偶然性，可通过多次实验对误差进行统计修正。同时，由于是渐进式冲击，降低了实验对材料的冲击损伤，可实现几乎无损条件下的材料特性测试。通过渐进式冲击速率、冲击能与音频振幅、响度、频率及其构成之间的关系，建立材料强度及结构与音频特性之间的关系模型，进而通过标定确定试样静强度及其组成结构。

本发明一种材料结构及强度特性的冲击音频响应测试系统，该系统包括冲击系统、数据采集系统与数据分析系统。其中，冲击系统是一种进行冲击发射系统，给材料施加高速动态荷载。数据采集系统通过各类传感器技术，测量冲击系统的工作参数以及撞击产生的音频特性，冲击系统的工作参数包括冲击压力、冲击速度；音频特性包括声音的频率、振幅、音量以及声波的功率谱密度，并进行信号放大和a/d转换，数据集成后传输给数据分析系统。数据分析系统通过示波器、计算机等终端和数据分析软件进行数据分析、存储和输出。

所述冲击测试系统，用于给被测材料施加冲击荷载。撞击杆在弹头的作用下获得一定的冲击速率，撞击试样端面并产生撞击声响，撞击作用后实验杆在端面反作用力作用下反弹，脱离试样端面，完成一次撞击。本系统由测试平台、加压机构、压力触发器、撞击杆、试样舱及其固定装置组成。系统测试平台是一种水平刚性支架，直接固定安装在水平地面上。加压机构、压力触发器、撞击杆通过支架固定安装在系统平台上，撞击杆为带肩的实心圆截面杆。压力触发器由压力源、调压器、发射开关组成。撞击杆系由弹头、撞击杆组成。压力源为压缩空气，由空气压缩机生成；试样舱用以承载试样，根据试样形状与规格，舱腔大小及形状可调节。

所述数据采集系统，由压力传感器、测速传感器、音频传感器、放大器、数据a/d转换盒、数字式动态应变仪和数据集成盒构成，将接收到的所述感测数据信号进行转换和数字集成。音频传感器采集音频信号的频率、振幅、音量(响度)及声波功率谱等信息。

所述数据分析系统，将所述转换和数字集成的数据经数据接口及电缆传输到所述数据分析系统如计算机、示波器等进行存储、分析和输出，并对冲击参数与材料的结构及强度等特性进行分析、评判、存储和输出。

所述空气压缩机的工作电压为380v。

所述数字式动态应变仪的工作电压为220v。

所述激光及红外光电测速传感器的工作电压为220v。

所述数据集成盒的工作电压为dc12v。

本发明的有益效果是，由于采用上述技术方案，一方面，测试材料结构特征与撞击产生的音频特征之间的关系。通过测试冲击试样材料产生的音频特性，分析声音频率及其构成、振幅、声音强度(响度)以及声波功率谱，实现对材料结构特性的定量测试，确定岩石等硬性材料的节理裂隙发育程度、结构完整性及密实度，确定金属材料的孔洞、微裂面等缺陷或损伤。另一方面，测试材料强度等特性与音频特性之间的关系，实现对材料强度等特性的测试，通过测试撞击产生的音频特征，分析确定岩石等材料的屈服强度、破坏强度、声弹性模量、硬度、密度以及含水率等参量，确定金属材料的强度、硬度以及密度等参量。

附图说明

图1是本发明的系统构造图。

图2是图1压力传感器的连接图。

图3是图1测速传感器的布置图。

图4是图1试样舱的布置图。

图5是图1测试系统布置图。

图中所示，12dc.12伏直流电源，i.输入，o.输出，1-压缩空气源；2-调压器；3-脉冲发射器；4-红外光源；5-定向套管；6-带肩撞击杆；7-音频传感器；8-激光源；9-试样舱；10-刚性固定端；11-激光接收器；12-放大器；13-红外接收器；14-压力传感器；15-放大器；16-数模a/d转化器；17-动态应变仪；18-数据集成盒；19-分析终端；20-压力开关；21-压力表；22-连接头；23-信号线缆；24-激光束；25-信号线缆；26-试样模套；27-试样；28-试样舱盖套孔；29试样舱盖；i-i及ii-ii激光束通视孔。

本系统安装在实验室水平刚性试验平台上，用于对材料实施冲击，对冲击过程的音频与材料特性参数进行测试。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

在图1的实施例中，系统主要由三个部分组成：(i)冲击系统；(ii)数据采集系统及(iii)数据分析系统。冲击系统包括压力触发器、冲击弹头、撞击杆及试样舱组成。压力触发器由压力发生器、调压器、触发开关及发射管组成。压力发生器为产生压缩空气的压力源，由380v交变电驱动。发射管内安装有弹头，弹头为一圆柱形短杆，其与撞击杆、定向套管共同构成冲击系统，压力触发器触发发射管中的弹头，冲击撞击杆，完成对试样舱中试样材料的冲击。数据采集系统由压力传感器、测速传感器、音频传感器、放大器、数据a/d转换盒、动态应变仪及数据集成盒组成，将感应信号进行放大和转换，传输到各个终端并储存；数据分析系统由计算机、示波器和ipad等各种终端组成，通过专用软件或常用办公软件如excel等进行数据的分析、显示、储存和打印。

在图1的实施例中，数据采集系统安装在实验工作台上，将冲击系统与测试系统采集的数据进行放大、转化、集成和信息化传输。

在图1的实施例中，布置1个压力传感器，用以测量压力源经调压器输出的压气压力，它是压力触发器的发射压力。

测速传感器用以测量弹头及撞击杆的撞击速度。

两个测速传感器经线缆接入数据集成盒。数据集成后，由集成盒输送到计算机、示波器及ipad等数据分析终端。

数据采集系统由上述各类传感器、放大器、转换盒、数字式动态应变仪和数据集成盒组成。其中，放大器它属于典型的惠斯通电桥(wheatstonebridge)前置放大器，用以将音频信号、电压信号放大。转换器将压力及音频传感器采集的模拟数据进行a/d转换为数字信号。本发明采用日本csw-5a型转换器，它通过cr-655接口电缆与数字式应变仪相连。数字动态应变仪，将csw-5a转换盒输入的压力模拟信号变换为数字信号，本发明采用nicoletsigma90(digitaloscilloscopeworkstation)数字动态应变仪，通过rs-232c接口电缆将数据输入到数据集成盒(dateintegratedbox)。数据集成盒将对冲击系统测试的输入信息进行集成，通过cr-553b接口电缆输入到终端设备。

在图2的实施例中，给出了压力传感器的安装示意图。

压力传感器14安装在压力调节器管路中的适当位置，一般处于输入i-输出o回路中压力表21的前方，当压力流体输入到发射器管路中，经压力阀20、压力表21及传感器14输入到所在压力管路，传感器14通过联接头22与管路相连，当压力流体经压力传感器14时，压力作用于传感器上的压阻片，使其变形从而使电阻、电流或电压等电信号发生改变。电信号经数据电缆23，通过接口传输给数据采集系统。本发明采用英国gems2200/2600传感器系列，各压力传感器的测量范围为0.01-25.0mpa。

在图3的实施例中，本发明采用红外测速传感器测量弹头3的冲击速率。红外发射头4发射的光线24经过发射管的弹头3和撞击杆6之间的间隔，由红外传感器的接收器13接收，当压力触发器触发时，发射管中的弹头3以一定速度沿发射管射出，切割红外光束24，接收器13产生光电脉冲，信号经线缆25传输到数据采集系统，由采集系统再传输到分析系统，根据红外设定的宽度和脉冲时间计算弹头切割速率。红外测速传感器水平安装，光线与发射管轴线垂直。

撞击杆6在弹头3的冲击下获得一定速度，沿定向套管5及试样舱盖29上的中心套孔28向前运动，撞击试样27的左端面。试样27安装试样模套26内，试样舱9水平安装在刚性固定端10上，刚性固定端10是一种质量块，可与试验平台联结或独立安装，其作用是吸收来自试样舱9的水平轴向冲量。为减少套孔与撞击杆之间的摩擦，在套孔和杆上涂薄层凡士林或黄油。

本发明采用点激光测速传感器对撞击杆进行测速。2个激光测速传感器沿试样舱母线按一定间距(i-ii)布置，用以测量撞击杆6的冲击速率。激光源8发射的激光束经过由试样舱9上的中心通视孔i-i及ii-ii，由激光接收器11接收，当撞击杆6被弹头3撞击时，撞击杆6以一定速度沿试样舱盖29的中心套孔28撞击试样27，撞击杆6切割i-i及ii-ii中的激光光束，接收器11产生光电脉冲，信号经线缆传输到数据采集系统的数据集成盒18，再传输到分析系统，根据空间设定的间距和脉冲时间计算撞击杆的冲击速率。为减少激光对人体的影响，激光测速传感器垂直安装，光线与试样舱轴线垂直。

本发明采用音频传感器测量撞击杆冲击试样产生的音频特性。音频传感器7安装在试样舱盖板19内侧适当的位置以测量试样舱内试样27被撞击杆6冲击时声音的频率、振幅、声音的强度(音量/响度)以及功率谱密度等参量，音频信号的输出采用插孔式连接，线缆通过插头与a/d转换器16连接。试样舱盖29与试样舱9为密闭嵌入式联接，密闭圈为车门式胶圈，盖板及胶圈可简单拆装。舱盖29为双层结构，其内层为吸声材料，具有吸声作用；外层为金属板，具有隔音作用。本发明采用3个音频传感器，沿一定的环向半径等间距布置在内层盖板上。

本发明采用视频传感器监测撞击杆的冲击过程。视频传感器与音频传感器7集成，作为辅助手段提供冲击过程的可视化信息，与音频信息同步传输到数据分析系统，最终传输到分析终端19。

在图4的实施例中，试样舱9为一定厚度的刚性柱形圆筒，其底座与刚性固定端10联接，试样舱9内可根据试样规格安装试样模套26，模套26的外柱体与试样舱9的内柱体啮合，模套内安装试样27，试样模套26与试样舱9、试样27与模套26内径之间的配合误差以及同轴度应满足有关材料测试的要求。根据测试要求，可具有不同的模套内径和试样尺寸。试样舱9的轴向长度大于试样模套26的长度，超出的长度应满足试样冲击时撞击杆的冲击距离要求。在进行破坏式冲击测试时，还应满足试样破裂时的安全防护要求。当测试平台与系统确定后，冲击极限距离由撞击杆6卡肩的位置及长度限定。

在图5的实施例中，给出了本发明的布置形式。

压缩空气源1为空气压缩机，一般布置在离测试场地较远的隔声空间，通过压力管网将压气引入室内，并与调压器2联通，压气压力由压力传感器14进行测量，并通过调压器2的标准压力表进行标定。压力传感器14通过放大器15与a/d转换器16相联，并接入应变仪17。脉冲发射器3、定向导管5、撞击杆6、试样舱盖29、试样舱9、试样27及模套26位于同一水平轴线上。红外测速传感器4安装在弹头3前端和撞击杆6的后端之间，并由红外接收器13的输出端与数据集成盒18联通。音(视)频传感器7布置在试样舱9盖板29的内侧，两个激光传感器8竖向布置于撞击杆6的前端与试样27的后端面之间，激光孔轴线与试样舱9的轴线相交，并与撞击杆6的轴线正交构成一个垂直平面。激光传感器、激光接收器与试样舱为非接触式安装。上述压力、冲击速度及音频传感器所采集的信号在数据集成盒18集成后输出给数据分析系统的分析终端19。

本发明中放大器12、放大器15、a/d转换、应变仪17及数据集成盒18可集成一体，本发明中为了表述方便，独立列出。

本发明的基本原理是：采用冲击杆系、传感器技术、音(视)频技术和数字集成技术，建立一种材料冲击响应音频特性测试系统，通过冲击系统撞击材料试样表面，采用红外及激光测速传感器测量弹头及撞击杆的速度，分析确定冲击系统速度及能量的传递效率；采用音频传感器测量撞击材料时发生声响的频率、振幅、声压、音量及功率谱密度等音频特性。由于撞击时发生的音频特性与被撞击材料性质、物质组成、结构及硬度、抗压强度等强度特性有关，通过渐进式循环冲击试验，获得撞击音量、频率、振幅及声压等随冲击能的变化关系，确定材料的声弹性模量、屈服强度及破坏强度；获得频率及其构成、功率谱密度随冲击能的变化关系，分析确定材料的初始结构及其结构的演化过程，并对材料内部的损伤程度进行估计。本发明的特点是对试样加工要求不严，只须撞击面平整、光滑即可，易加工；此外，试验是非破坏性的，可重复性试验。