一种沙壤振动传播性能测试盒及测试方法

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。

说明书

技术领域

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。

背景技术

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，

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。

文献2(Vibration Sensitivity and a Computational Theory for Prey-LocalizingBehavior 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&Kjaer4370，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。

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。

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

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。

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。

较佳地，上述的矩形盒体空心设计，外形尺寸为200×25×25mm，壁厚为1mm，材料是不锈钢，其弹性模量为2×10¹¹N/m²，泊松比为0.3，密度为7.8×10³kg/m³。

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。

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。

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：

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。

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。

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。

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。

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。

本发明的有益效果：

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。

附图说明

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。

图2为本发明沙壤振动传播性能测试盒的结构图。

图3为本发明沙壤振动测试方案中传感器的布置图。

图4为本发明沙壤振动传播性能测试盒网格划分结果图。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

图11a-11c分别为矩形边长为1000mm时测试点2的X、Y、Z向的频响函数数据。

图12a-12c分别为矩形边长为1000mm时测试点2的X、Y、Z向的相关函数数据。

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。

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。

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。

图16a-16c分别为矩形边长为1000mm时测试点4的X、Y、Z向的时频信号数据。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

上述该矩形盒体的外形尺寸为200×25×25mm，壁厚为1mm，材料是不锈钢，其弹性模量为2×10¹¹N/m²，泊松比为0.3，密度为7.8×10³kg/m³。

定义材料特性：

模型导入后，指定单元类型为Solid186，定义材料类型时依次输入弹性模量值为“2e11”、泊松比为“0.3”、密度为“7800”。

划分单元：

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：

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；

表1：

最大数定义数选择数节点数254852548525485单元数127111271112711

表1说明模型划得共25485个节点，12711个单元。

分析可显示前10阶固有频率如表2所示，表2为矩形盒体固有频率列表；

表2：

阶数时间/频率(Hz)载荷步子步累加10.000011120.000012230.86193E-0213340.122272E-0114450.16144E-0115560.20592E-0116671859.417782517.318892517.4199103288.511010

上述表2中显示前6项接近于0，这是因为本实施例中做的自由模态分析，这些接近于0的固有频率表现为在六个自由度上的刚体模态；第7项为矩形盒体第1阶固有频率，其值为1859.4Hz。

图5-图7分别是前3阶振型的分析，由此可知，矩形盒体第1阶固有频率为1859.4Hz，振型为四个表面的弯曲变形，第2阶和3阶固有频率分别为2517.3Hz和2517.4Hz，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。

上述计算说明实施例中空心金属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。

本发明的沙壤振动的测试方法，于实施例中，该测试方法基于沙壤1、四个沙壤振动传播性能测试盒2、3维传感器3、数据采集分析仪4及计算机5，参照附图28所示，测试方法如下：

步骤101：将4个沙壤振动传播性能测试盒埋于沙壤中；具体操作如下：

如图1所示，将4个矩形盒体埋于沙壤中，埋入的深度H为约矩形盒体总长的2/3，该4个矩形盒体处于一个平面，并按照如图3所示的图分布进埋4个矩形盒体，边长L分别选取1000mm或2000mm。图3中的点1为激励位置，指代此处的矩形盒体为激励元件；点2、3和4分别作为测试位置，指代此处的矩形盒体为测试元件。

将3维传感器牢固粘贴于矩形盒体顶端，且3维加速度传感器、激振力锤传感器分别和数据采集分析仪相连，并将数据采集分析仪和计算机相连。

上述的3维传感器安装有水平方向(X、Y)和垂直(Z)方向。

步骤102：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；具体操作如下：

使用激励锤用力垂直方向(Z向)直接激励点1的激励元件(矩形盒体)5次，产生脉冲激励信号。

步骤103：将其他三个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；

采集处理信号：输入信号(时域)，垂直方向和水平方向输出的时域信号，频响信号(输入和输出垂直及水平方向)，相关函数(输入和输出垂直及水平方向)。

数据采集分析仪将测试结果输出通过计算机直接显示并保存。

具体实施方法如下：

分别采集测试点2、3和4的响应信号，采集每点的对应测试数据也为5次，并记录输入(激励)时频信号，测试点2、3和4的三向(X，Y和Z向)的时频响应信号，激励点和测试点的三向(X，Y和Z向)频响函数，以及激励点和测试点的三向相关函数。

测试结果参照图8至图27所示，上述的测试结果整理如下表3所示，表3为各测试点的数据比较；

表3：

根据上述表3中的数据表明：三向频响函数和相关函数的主频域基本相同，约在70-400Hz，由此可见沙壤的的振动传播的主频区域即为70-400Hz。

上述实施过程和矩形盒体频率分析验证了沙壤振动测试装置及方法的合理性和有效性。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。