CN101368896A - 一种同时提取材料复杨氏模量和复剪切模量的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种同时提取材料复杨氏模量和复剪切模量的方法及装置，振荡器(1)、激光源(2)和布拉格格子(3)组成激光器，经光纤耦合器(4)把一路光纤信号分配成多路光纤信号输入环境室(6)中振动器(19)对样品(16)进行振动激励，经面内探测器(5)检测，雪崩光敏二极管(7)隔离噪声信号，混频器(9)并经振荡器(8)将检出的信号变频经锁相环(10)、低通滤波器(11)和锁位放大器(12)再经过计算机(14)处理得到振动响应信号A；设定模量初始值和边界条件，获得模拟受激励状态下的样品振动激励信号经功率放大器(13)放大后，通过振动器对样品进行振动激励获得此状态下的模拟振动响应信号B可得该参数条件下的模量值。
Description
技术领域
本发明属于测试技术领域，特别涉及到一种利用激光测振技术和有限元模拟技术同时提取静水压力条件下材料复杨氏模量和复剪切模量的方法及装置。
背景技术
复杨氏模量和复剪切模量用来表征材料动态力学性能的重要参数，可用来表征材料内部能量耗散以及振动疲劳特性，是结构动力学设计和水声材料研制过程中的重要参数，是阻尼材料和水声材料研发中要获得的重要参数。
测试材料复杨氏模量和复剪切模量的方法较多，GB/T 16406-1996《声学声学材料阻尼性能的弯曲共振测试方法》、GB/T 18258《阻尼材料阻尼性能测试方法》、GJB981-1990《粘弹阻尼材料强迫非共振型动态测试方法》、ANSIS2.22-1998、ANSI S2.23-1998以及IS06721-1994等标准提出了测试这些参数的各种方法。
目前商品化采用上述标准测试材料动态力学性能的仪器较多，如法国01dB公司的VA4000粘弹仪，TA公司的DMAQ800热机械分析仪，Perkin Elmer公司的DMA 7e热机械分析仪等，通过改变夹持试样的夹具，可以分别获得材料的复杨氏模量和复剪切模量。但现有仪器无法在同一时间获得材料的复杨氏模量和复剪切模量，并且无法获得静水压力条件下材料的复模量参数。
美国专利(公开号：US 6,320,665)介绍的一种利用声光扫描激光测振仪，测试宏观组件和微观组件动态力学性能方法和装置。该装置将单频激光束分成两束正交的极化束，其中的一个光束入射到考察的表面然后返回，该光束与从参考面反射回来的另一光束产生干涉。在干涉点位置有一光探测器，该探测器的信号经信号处理器可得到被测样品的动态参数。该方法可以获得材料在空气中的动态参数，但该方法无法同时获得静水压力材料的复杨氏模量和复剪切模量。
国内外尚无可同时材料静压力条件下复杨氏模量和复剪切模量方法和装置的相关报道。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种利用激光测振技术和有限元模拟技术同时提取静水压力条件下材料复杨氏模量和复剪切模量的方法及装置，在同时获得静水压力条件下材料的复杨氏模量和复剪切模量问题，为耐静水压阻尼材料和水声材料制品研发，提供了重要基础数据支持。
为了实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
所述的同时提取材料复杨氏模量和复剪切模量的方法，是对处在环境室可设定温度和静水压力的样品进行激励，用He/Ne激光源辐射在被测样品上，通过对从样品散射信号的接收和处理而获得材料三维方向上表面运动，结合有限元方法获得材料的复杨氏模量和复剪切模量，包括以下步骤：
1)对处在一定温度下和静水压力条件下的样品进行振动信号激励；
2)利用He/Ne激光源辐射在环境室的样品上，产生散射信号；
3)接收并处理散射信号，获得材料在三维方向上表面的振动响应A；设定材料复杨氏模量和复剪切模量的初始值，采用有限元模拟方法预测到的振动响应B；通过不断调整有限元模拟计算中材料的复杨氏模量和复剪切模量设定值使模拟振动响应信号B与实际获得的响应信号A特征在允许差别范围内，此时的复杨氏模量和复剪切模量设定值即为材料在静水压力条件下的复杨氏模量和复剪切模量。
所述的同时提取材料复杨氏模量和复剪切模量的方法，其有限元模拟方法是通过设定复杨氏模量和复剪切模量初始值，根据边界条件，计算出相同响应条件下模拟振动激励信号，并将此模拟振动激励信号经功率放大器进行信号放大后，对样品进行振动激励后，获得模拟振动响应信号B。
所述的同时提取材料复杨氏模量和复剪切模量的装置，是由40.0MHz振荡器、He/Ne激光源、布拉格格子、光纤耦合器、面外探测器、环境室、雪崩光敏二极管、40.1MHz振荡器、混频器、锁相环、低通滤波器、锁位放大器、功率放大器、计算机组成，其中40.0MHz振荡器、He/Ne激光源和布拉格格子组成激光器，经光纤耦合器把一路光纤信号分配成多路光纤信号，信号输入环境室中的振动器，振动器对样品进行振动激励，经面内探测器检测，并通过雪崩光敏二极管隔离噪声信号后，然后通过混频器并经40.1MHz振荡器，将检出的信号变频经锁相环、低通滤波器和锁位放大器，再经过计算机处理得到振动响应信号A；利用计算机，通过有限元程序，根据实际获得振动响应信号A，设定复杨氏模量和复剪切模量初始值和边界条件，获得模拟受激励状态下的样品振动激励信号；将模拟振动激励信号经功率放大器放大后，通过振动器对样品进行振动激励，并获得此状态下的模拟振动响应信号B。
所述的同时提取材料复杨氏模量和复剪切模量的装置，其环境室上设置有面外探测器，夹层之间设置玻璃窗口，其内从上到下依次为样品、胶粘剂、金属片、胶粘剂、振动器、基座、隔振垫，反光镜设置在环境室一侧并与样品对应。
所述的同时提取材料复杨氏模量和复剪切模量的装置，其振动器由压电陶瓷片制成。
所述的同时提取材料复杨氏模量和复剪切模量的装置，其带有激光可以透过的玻璃窗口也可是有机玻璃。
由于采用了如上所述技术方案，本发明具有如下优越性：
通过本发明可以同时获得材料的复杨氏模量和复剪切模量，能够解决现有商品化的测试仪器不能同时获得上述参数这一难题，为阻尼材料和水声材料的研制提供数据支持。
附图说明
图1是同时提取材料复杨氏模量和复剪切模量的装置配置示意图；
图2是同时提取材料复杨氏模量和复剪切模量的环境室示意图。
图1、2中：1—40.0MHz振荡器；2—He/Ne激光源；3—布拉格格子；4—光纤耦合器；5—面外探测器；6—环境室；7—雪崩光敏二极管；8—40.1MHz振荡器；9—混频器；10—锁相环；11—低通滤波器；12—锁位放大器；13—功率放大器；14—计算机；15—玻璃窗口；16—样品；17—金属片；18—胶粘剂；19—振动器；20—基座；21—隔振垫；22—反光镜。
具体实施方式
本发明的同时提取材料复杨氏模量和复剪切模量的方法，是对处在环境室可设定温度和静水压力的样品进行激励，用He/Ne激光源辐射在被测样品上，通过对从样品散射信号的接收和处理而获得材料三维方向上表面运动，结合有限元方法获得材料的复杨氏模量和复剪切模量，包括以下的步骤：
1)对处在一定温度下和静水压力条件下的样品进行振动信号激励；
2)利用He/Ne激光源辐射在环境室的样品上，产生散射信号；
3)接收并处理散射信号，获得材料在三维方向上表面的振动响应A，通过与采用有限元模拟方法预测到的振动响应B进行对比，通过不断调整有限元模拟计算中材料的复杨氏模量和复剪切模量设定值，当模拟振动影响信号B与实际获得的响应信号A特征在允许差别范围内，即可同时获得材料在静水压力条件下的复杨氏模量和复剪切模量。其有限元模拟方法是通过设定复杨氏模量和复剪切模量初始值，根据边界条件，计算出相同响应条件下模拟振动激励信号，并将此模拟振动激励信号经功率放大器进行信号放大后，对样品进行振动激励后，获得模拟振动响应信号B。
如图1、2所示：本发明的同时提取材料复杨氏模量和复剪切模量的装置，是由40.0MHz振荡器(1)、He/Ne激光源(2)、布拉格格子(3)、光纤耦合器(4)、面外探测器(5)、环境室(6)、雪崩光敏二极管(7)、40.1MHz振荡器(8)、混频器(9)、锁相环(10)、低通滤波器(11)、锁位放大器(12)、功率放大器(13)、计算机(14)组成，其中40.0MHz振荡器(1)、He/Ne激光源(2)和布拉格格子(3)组成激光器，经光纤耦合器(4)把一路光纤信号分配成多路光纤信号，信号输入环境室(6)中的振动器(19)，振动器(19)对样品(16)进行振动激励，经面内探测器(5)检测，并通过雪崩光敏二极管(7)隔离噪声信号后，然后通过混频器(9)并经40.1MHz振荡器(8)，将检出的信号变频经锁相环(10)、低通滤波器(11)和锁位放大器(12)，再经过计算机(14)处理得到振动响应信号A；利用计算机(14)，通过有限元程序，根据实际获得振动响应信号A，设定复杨氏模量和复剪切模量初始值和边界条件，获得模拟受激励状态下的样品(16)振动激励信号；将模拟振动激励信号经功率放大器(13)放大后，通过振动器(19)对样品(16)进行振动激励，并获得此状态下的模拟振动响应信号B。此外，环境室(6)上设置有面外探测器(5)，夹层之间设置玻璃窗口(15)，其内从上到下依次摆放样品(16)、胶粘剂(18)、金属片(17)、胶粘剂(18)、振动器(19)、基座(20)、隔振垫(21)，反光镜(22)设置在环境室(6)一侧并与样品(16)对应。振动器(19)也可由压电陶瓷片制成。激光可以透过的玻璃窗口(15)也可是有机玻璃构成。
上述装置具体操作步骤简述如下：
1)将整个测试系统接通电源，预热20分钟；
2)将样品粘接在与振动器或压电陶瓷片相连的金属片上，必要时对样品进行染色处理，并把振动器与基座用胶粘剂进行粘接；
3)根据测试需要，调整压力容器内的温度和静水压力，并使之保持恒定；
4)根据测试要求，设定激励信号的类型，并调节功率放大器、混频器、滤波器等参数设置；
5)打开测试程序，对样品进行激励，采用激光器测试特定温度和静水压力条件下，特定信号激励下样品的表面振动响应；
6)用计算机记录和处理振动响应信息，获得振动响应信号A；
7)采用有限元模拟方法，根据振动响应信号A，设定样品的复杨氏模量和复剪切模量初始值，从而获得的模拟振动激励信号；
8)将采用有限元获得的模拟振动激励信号经功率放大器放大后，通过振动器对处在环境室中的样品进行振动激励，并处理得到振动响应信号B；
9)采用优化算法，不断调整复杨氏模量和复剪切模量数据，使采用有限元模拟获得的振动激励信号，经过处理获得的振动响应信号B，与实际测试得到的振动响应信号A在允许的差别范围内；将此时设定的复杨氏模量和复剪切模量作为特定温度和静水压力条件下的参数。
Claims (6)
1.一种同时提取材料复杨氏模量和复剪切模量的方法，其特征在于：对处在环境室可设定温度和静水压力的样品进行激励，用He/Ne激光源辐射在被测样品上，通过对从样品散射信号的接收和处理而获得材料三维方向上表面运动，结合有限元方法获得材料的复杨氏模量和复剪切模量，包括以下的步骤：
1)对处在一定温度下和静水压力条件下的样品进行振动信号激励；
2)利用He/Ne激光源辐射在环境室的样品上，产生散射信号；
3)接收并处理散射信号，获得材料在三维方向上表面的振动响应A，通过与采用有限元模拟方法预测到的振动响应B进行对比，通过不断调整有限元模拟计算中材料的复杨氏模量和复剪切模量设定值，当模拟振动影响信号B与实际获得的响应信号A特征在允许差别范围内，即可同时获得材料在静水压力条件下的复杨氏模量和复剪切模量。
2.如权利要求1所述的同时提取材料复杨氏模量和复剪切模量的方法，其特征在于：有限元模拟方法是通过设定复杨氏模量和复剪切模量初始值，根据边界条件，计算出相同响应条件下模拟振动激励信号，并将此模拟振动激励信号经功率放大器进行信号放大后，对样品进行振动激励后，获得模拟振动响应信号B。
3.一种同时提取材料复杨氏模量和复剪切模量的装置，其特征在于：该装置是由40.0MHz振荡器(1)、He/Ne激光源(2)、布拉格格子(3)、光纤耦合器(4)、面外探测器(5)、环境室(6)、雪崩光敏二极管(7)、40.1MHz振荡器(8)、混频器(9)、锁相环(10)、低通滤波器(11)、锁位放大器(12)、功率放大器(13)、计算机(14)组成，其中40.0MHz振荡器(1)、He/Ne激光源(2)和布拉格格子(3)组成激光器，经光纤耦合器(4)把一路光纤信号分配成多路光纤信号，信号输入环境室(6)中的振动器(19)，振动器(19)对样品(16)进行振动激励，经面内探测器(5)检测，并通过雪崩光敏二极管(7)隔离噪声信号后，然后通过混频器(9)并经40.1MHz振荡器(8)，将检出的信号变频经锁相环(10)、低通滤波器(11)和锁位放大器(12)，再经过计算机(14)处理得到振动响应信号A；利用计算机(14)，通过有限元程序，根据实际获得振动响应信号A，设定复杨氏模量和复剪切模量初始值和边界条件，获得模拟受激励状态下的样品(16)振动激励信号；将模拟振动激励信号经功率放大器(13)放大后，通过振动器(19)对样品(16)进行振动激励，并获得此状态下的模拟振动响应信号B。
4.如权利要求3所述的同时提取材料复杨氏模量和复剪切模量的装置，其特征在于：环境室(6)上设置有面外探测器(5)，夹层之间设置玻璃窗口(15)，其内从上到下依次摆放样品(16)、胶粘剂(18)、金属片(17)、胶粘剂(18)、振动器(19)、基座(20)、隔振垫(21)，反光镜(22)设置在环境室(6)一侧并与样品(16)对应。
5.如权利要求3、4所述的同时提取材料复杨氏模量和复剪切模量的装置，其特征在于：振动器(19)也可由压电陶瓷片制成。
6.如权利要求4所述的同时提取材料复杨氏模量和复剪切模量的装置，其特征在于：激光可以透过的玻璃窗口(15)也可是有机玻璃构成。
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