CN106324097A - 一种基于声波传感测定材料碰撞恢复系数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于声波传感测定材料碰撞恢复系数的方法，一、将一由碰撞材料制成的碰撞球从高度为H的位置落下至一碰撞板上，在碰撞板上位于碰撞球下落区域的旁边设置一声音传感器，该声音传感器与采集卡及计算机依次连接；二、碰撞球与掉落至碰撞板，碰撞后弹起，进而又落下与碰撞板再次碰撞，碰撞过程进行到碰撞球停止在碰撞板上为止；三、在碰撞过程中，采集卡采集声音传感器检测到的音频信号，并将音频信号实时发送至计算机，计算机生成显示音频随时间变化曲线；四、根据音频随时间变化曲线计算碰撞恢复系数。本发明方法利用碰撞产生的音频信号，分析音频信号随时间变化规律，即可精确获得其碰撞恢复系数，速度快、精度高。

Description

一种基于声波传感测定材料碰撞恢复系数的方法

技术领域

本发明涉及材料试验技术领域，特别涉及一种基于声波传感测定材料碰撞恢复系数的方法。

背景技术

碰撞是普遍存在的物理现象。其中恢复碰撞系数是表征碰撞能量损失的重要参数。在破碎、筛分、汽车等多个行业装备的开发设计中，均需要测定恢复碰撞系数。而该参数与相互碰撞物体的材料类型相关。不同材料碰撞，其碰撞恢复系数一般是不一样的。通常，需要精确测量碰撞材料的前后速度变化，才能获得碰撞恢复系数，而精确检测速度一般难以进行。此外，测量碰撞材料碰撞前后的弹跳高度变化，也是一种有效测量方式。但是材料碰撞后弹起的高度变化是动态的，准确获得其弹起后的最高高度值也比较困难，其测量误差较大，影响了碰撞恢复系数的计算结果精度。因此，开发一种碰撞恢复系数精确的通常测定方法，并推广到各个行业中应用具有重要意义。

一般来讲，精确测量碰撞材料的前后速度变化，即可获得碰撞恢复系数。而精确检测速度一般难以进行。此外，测量碰撞材料碰撞前后的弹跳高度变化，也是一种有效测量方式。但是材料碰撞后弹起的高度变化是动态的，准确获得其弹起后的最高高度值也比较困难，影响了碰撞恢复系数的计算结果精度。

有鉴于此，本发明人研制出一种基于声波传感测定材料碰撞恢复系数的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于声波传感测定材料碰撞恢复系数的方法，方法通过测量碰撞材料多次碰撞时对应的音频变化的时刻，即可精确获得其碰撞恢复系数，而且时间的测量相对较速度测量、动态高度测量容易得多，测量精度也更高，可用于确定任意碰撞材料的碰撞恢复系数。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于声波传感测定材料碰撞恢复系数的方法，包括以下步骤：

一、将一由碰撞材料制成的碰撞球从高度为H的位置落下至一碰撞板上，所述碰撞板由另一种碰撞材料制成，在碰撞板上位于碰撞球下落区域的旁边设置一声音传感器，该声音传感器与采集卡及计算机依次连接，在碰撞球第一次下落的同时开启计算机以监测声音传感器的音频信号；

二、碰撞球与掉落至碰撞板，碰撞后弹起，进而又落下与碰撞板再次碰撞，碰撞过程进行到碰撞球停止在碰撞板上为止；

三、在碰撞过程中，采集卡采集声音传感器检测到的音频信号，并将音频信号实时发送至计算机，计算机生成显示音频随时间变化曲线；

四、根据音频随时间变化曲线计算碰撞恢复系数：

从音频随时间变化曲线中可获取每次碰撞的时间以及多次碰撞的总时间，从音频随时间变化曲线中选取一组时间：即第1次碰撞到第n+1次碰撞的总时间T_n和第一次碰撞到底2n+1此碰撞的总时间T_2n，根据以下公式计算碰撞恢复系数：

$e={(\frac{T_{2n}}{T_n}-1)}^{\frac{1}{n}}.$

所述计算碰撞恢复系数的步骤具体包括：

记第i-1次和第i次碰撞的时间分别为t_i-1和t_i，对应的碰撞球下落加速度分别为a_i-1和a_i，设碰撞球第i-1次和第i次碰撞碰撞板对应速度为V_i-1和V_i，则有：

$e=\frac{V_i}{V_{i-1}}=...=\frac{V_2}{V_1}---\left(1\right)$

由式(1)可得：

V_i＝eV_i-1＝e²V_i-2＝...＝eⁱV₁ (2)

其中为碰撞球第1次碰撞碰撞板时对应速度；

碰撞球第i-1次碰撞和第i次碰撞碰撞板的时间间隔为Δt_i＝t_i-t_i-1，第i次碰撞时对应速度V_i与时间间隔Δt_i的关系为：

V_i＝gΔt_i/2 (3)

由式(2)和式(3)可得：

${\mathrm{\Δt}}_i=\frac{2e^i{V}_1}{g}=e^i\sqrt{\frac{8H}{g}}---\left(4\right)$

从第1次碰撞到第n+1次碰撞的总时间为则

$T_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\left(e^i\right)=\sqrt{\frac{8H}{g}}\frac{1-e^n}{1-e}---\left(5\right)$

由式(5)可得：

$T_{2n}=\underset{i=1}{\overset{2n}{\Σ}}\left(e^i\right)=\sqrt{\frac{8H}{g}}\frac{1-e^{2n}}{1-e}---\left(6\right)$

通过式(5)除以式(6)可得：

$e^{2n}-\frac{T_{2n}}{T_n}{e}^n+\frac{T_{2n}}{T_n}-1=0---\left(7\right)$

求解式(7)可得：

$e={(\frac{T_{2n}}{T_n}-1)}^{\frac{1}{n}}---\left(8\right);$

最后选取一个n值，根据式(8)计算碰撞恢复系数。

本发明的有益效果是：测试装置简单易操作，只需通过测量碰撞材料多次碰撞时对应的音频变化的时刻，即可精确获得其碰撞恢复系数，无需将高度H纳入计算，而且时间的测量相对较速度测量、动态高度测量容易得多，测量精度也更高，可用于确定任意碰撞材料的碰撞恢复系数。

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1是本发明用于测定材料碰撞恢复系数的装置结构示意图；

图2是加速度随时间变化曲线图；

图3是加速度随时间变化曲线的实例图。

标号说明

碰撞球1，碰撞板2，碰撞区21，声音传感器3，采集卡4，底座5，支架6，横梁7，计算机8。

具体实施方式

本发明揭示的一种基于声波传感测定材料碰撞恢复系数的方法，采用图1所示的一种测量装置，装置包括底座5、支架6、横梁7、碰撞球1、碰撞板2、声音传感器3、采集卡4和计算机8；所述碰撞球2与碰撞板3分别采用不同的碰撞材料制成，所述碰撞板2为长方形板。

碰撞板1和支架6固定在底座5上，横梁7安装在支架6上，且横梁7位于碰撞板2上方，碰撞球1嵌在横梁7上，声音传感器3设置在碰撞板2旁边且靠近碰撞球1下落的位置，即碰撞板2上的碰撞区21，所述声音传感器3、采集卡4与计算机8依次连接。

所述的基于声波传感测定材料碰撞恢复系数的方法包括以下步骤：

一、将一由碰撞材料制成的碰撞球1从高度为H的位置落下至一碰撞板2上，所述碰撞板2由另一种碰撞材料制成，在碰撞板2上位于碰撞球1下落区域的旁边设置一声音传感器3，该声音传感器3与采集卡4及计算机8依次连接，在碰撞球1第一次下落的同时开启计算机8以监测声音传感器3的音频信号；

二、碰撞球1与掉落至碰撞板2，碰撞后弹起，进而又落下与碰撞板2再次碰撞，碰撞过程进行到碰撞球1停止在碰撞板2上为止；

三、在碰撞过程中，采集卡4采集声音传感器检测到的音频信号，并将音频信号实时发送至计算机8，计算机8生成显示音频随时间变化曲线；为了辅助碰撞球1和碰撞板2的放置，在时间操作中通过底座5固定碰撞板，通过横梁7放置碰撞球1；

四、根据音频随时间变化曲线计算碰撞恢复系数：

从音频随时间变化曲线中可获取每次碰撞的时间以及多次碰撞的总时间，从音频随时间变化曲线中选取一组时间：即第1次碰撞到第n+1次碰撞的总时间T_n和第一次碰撞到底2n+1此碰撞的总时间T_2n，根据以下公式计算碰撞恢复系数：

$e={(\frac{T_{2n}}{T_n}-1)}^{\frac{1}{n}}.$

上述计算碰撞恢复系数的步骤具体包括：

记第i-1次和第i次碰撞的时间分别为t_i-1和t_i，对应的碰撞球下落加速度分别为a_i-1和a_i，设碰撞球第i-1次和第i次碰撞碰撞板对应速度为V_i-1和V_i，则有：

$e=\frac{V_i}{V_{i-1}}=...=\frac{V_2}{V_1}---\left(1\right)$

由式(1)可得：

V_i＝eV_i-1＝e²V_i-2＝...＝eⁱV₁ (2)

其中为碰撞球第1次碰撞碰撞板时对应速度；

碰撞球第i-1次碰撞和第i次碰撞碰撞板的时间间隔为Δt_i＝t_i-t_i-1，第i次碰撞时对应速度V_i与时间间隔Δt_i的关系为：

V_i＝gΔt_i/2 (3)

由式(2)和式(3)可得：

${\mathrm{\Δt}}_i=\frac{2e^i{V}_1}{g}=e^i\sqrt{\frac{8H}{g}}---\left(4\right)$

从第1次碰撞到第n+1次碰撞的总时间为则

$T_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\left(e^i\right)=\sqrt{\frac{8H}{g}}\frac{1-e^n}{1-e}---\left(5\right)$

由式(5)可得：

$T_{2n}=\underset{i=1}{\overset{2n}{\Σ}}\left(e^i\right)=\sqrt{\frac{8H}{g}}\frac{1-e^{2n}}{1-e}---\left(6\right)$

通过式(5)除以式(6)可得：

$e^{2n}-\frac{T_{2n}}{T_n}{e}^n+\frac{T_{2n}}{T_n}-1=0---\left(7\right)$

求解式(7)可得：

$e={(\frac{T_{2n}}{T_n}-1)}^{\frac{1}{n}}---\left(8\right);$

最后选取一个n值，根据式(8)计算碰撞恢复系数。

以下是本发明测定碰撞系数的应用实例，计算机检测到的音频随时间变化曲线如图3所示，结合表1和2，有如下步骤：

1)从图3曲线中取前8个音频峰值对应的时间，分别参见表1：

2)从图3计算8个时间对应的时间间隔Δt_i；

序号	1	2	3	4
					时间间隔Δti	0.414	0.301	0.227	0.181
序号	5	6	7	8
					时间间隔Δti	0.146	0.124	0.101	0.088

3)根据令n分别为4和8，可计算计算T₄＝1.123和T₈＝1.582

4)根据令n＝4，可计算e为0.7996。

以上仅为本发明的具体实施例，并非对本发明的保护范围的限定。凡依本案的设计思路所做的等同变化，均落入本案的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于声波传感测定材料碰撞恢复系数的方法，其特征在于，包括以下步骤：

一、将一由碰撞材料制成的碰撞球从高度为H的位置落下至一碰撞板上，所述碰撞板由另一种碰撞材料制成，在碰撞板上位于碰撞球下落区域的旁边设置一声音传感器，该声音传感器与采集卡及计算机依次连接，在碰撞球第一次下落的同时开启计算机以监测声音传感器的音频信号；

二、碰撞球与掉落至碰撞板，碰撞后弹起，进而又落下与碰撞板再次碰撞，碰撞过程进行到碰撞球停止在碰撞板上为止；

三、在碰撞过程中，采集卡采集声音传感器检测到的音频信号，并将音频信号实时发送至计算机，计算机生成显示音频随时间变化曲线；

四、根据音频随时间变化曲线计算碰撞恢复系数：

从音频随时间变化曲线中可获取每次碰撞的时间以及多次碰撞的总时间，从音频随时间变化曲线中选取一组时间：即第1次碰撞到第n+1次碰撞的总时间T_n和第一次碰撞到底2n+1此碰撞的总时间T_2n，根据以下公式计算碰撞恢复系数：

$e={(\frac{T_{2n}}{T_n}-1)}^{\frac{1}{n}}.$

2.如权利要求1所述的一种基于声波传感测定材料碰撞恢复系数的方法，其特征在于，所述计算碰撞恢复系数的步骤具体包括：

记第i-1次和第i次碰撞的时间分别为t_i-1和t_i，对应的碰撞球下落加速度分别为a_i-1和a_i，设碰撞球第i-1次和第i次碰撞碰撞板对应速度为V_i-1和V_i，则有：

$e=\frac{V_i}{V_{i-1}}=\mathrm{...}=\frac{V_2}{V_1}---\left(1\right)$

由式(1)可得：

V_i＝eV_i-1＝e²V_i-2＝...＝eⁱV₁ (2)

其中为碰撞球第1次碰撞碰撞板时对应速度；

碰撞球第i-1次碰撞和第i次碰撞碰撞板的时间间隔为Δt_i＝t_i-t_i-1，第i次碰撞时对应速度V_i与时间间隔Δt_i的关系为：

V_i＝gΔt_i/2 (3)

由式(2)和式(3)可得：

${\mathrm{\Δt}}_i=\frac{2e^i{V}_1}{g}=e^i\sqrt{\frac{8H}{g}}---\left(4\right)$

从第1次碰撞到第n+1次碰撞的总时间为则

$T_n=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\left(e^i\right)=\sqrt{\frac{8H}{g}}\frac{1-e^n}{1-e}---\left(5\right)$

由式(5)可得：

$T_{2n}=\underset{i=1}{\overset{2n}{\Σ}}\left(e^i\right)=\sqrt{\frac{8H}{g}}\frac{1-e^{2n}}{1-e}---\left(6\right)$

通过式(5)除以式(6)可得：

$e^{2n}-\frac{T_{2n}}{T_n}{e}^n+\frac{T_{2n}}{T_n}-1=0---\left(7\right)$

求解式(7)可得：

$e={(\frac{T_{2n}}{T_n}-1)}^{\frac{1}{n}}---\left(8\right);$

最后选取一个n值，根据式(8)计算碰撞恢复系数。