CN109115885A - 一种基于无约束共振法的沥青混合料阻尼比获取装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于无约束共振法的沥青混合料阻尼比获取装置与方法，包括保温箱及置于保温箱内的试件承载平台，所述保温箱内具有与试件表面粘附的加速度传感器，所述保温箱内还具有置于试件上方的力锤，所述保温箱侧部留有以供力锤伸入的开口，本发明通过力锤施加脉冲激励，激发试件的共振现象，利用无约束共振法是基于自由衰减法实现对沥青混合料阻尼比获取，整个结构测量缺乏精确、快速、简便。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于无约束共振法的沥青混合料阻尼比获取装置与方法。
背景技术
传统沥青混合料阻尼比获取多基于重复加载实验和动态力学分析方法，实验的仪器设备昂贵、操作繁杂、成本较高，且对实验人员的经验性要求较高，不过这仍是目前测试沥青混合料动态性能最常用实验方法。此外，有别于物体的质量和刚度，沥青混合料阻尼大小的测量缺乏精确、快速、方便的测量手段，这将不利于沥青混合料阻尼性能的评价和路面结构的分析与设计。因此，需要一套行之有效、易于操作的沥青混合料阻尼比测量装置与方法。
发明内容
本发明对上述问题进行了改进，即本发明要解决的技术问题是现有的。
本发明的具体实施方案是：一种基于无约束共振法的沥青混合料阻尼比获取装置，包括保温箱及置于保温箱内的试件承载平台，所述保温箱内具有与试件表面粘附的加速度传感器，所述保温箱内还具有置于试件上方的力锤，所述保温箱侧部留有以供力锤伸入的开口。
进一步的，所述保温箱包括不锈钢壳体所述不锈钢壳体内表面具有高密度聚乙烯层，所述不锈钢壳体与高密度聚乙烯层之间具有聚氨酯硬泡保温层，所述不锈钢壳体、高密度聚乙烯层及聚氨酯硬泡保温层之间通过粘贴连接。
进一步的，所述试件承载平台材料为聚氨酯软泡。
进一步的，所述保温箱为长为400mm，宽为300mm，高为300mm。
进一步的，所述加速度传感器，其型号为352B10，所述信号调节器，其型号为485B36，所述笔记本自带声卡最高采样频率为96kHz。
本发明还包括一种基于无约束共振法的沥青混合料阻尼比获取方法，包括利用如上所述的一种基于无约束共振法的沥青混合料阻尼比获取装置，具体包括以下步骤：
步骤S1：试件制备，试件制备可分为室内实验室制备试件或者现场取芯试件；室内实验试件步骤为：采用旋转压实仪制备圆柱体试件，然后用取芯机取出芯样，每组试件准备三个；现场取芯试件步骤为：通过取芯机在所需测点的沥青路面钻取芯样；上述取芯时必须需要切割机切去两端不平整的部分；
步骤S2：试件控温：将试件放入保温箱，试件下面放置试件承载平台，试件承载平台材料为聚氨酯软泡，为保证试件内部达到目标温度，控温时间至少两个半小时；
步骤S3：仪器准备：先将加速度传感器粘在试件边缘，将线引出来，然后传感器连接信号放大器，接着信号放大器的输出端用导线连接到笔记本电脑麦克风接口；
步骤S4：信号采集：通过保温箱预留的可开合窗口用力锤敲击试件，使试件产生相应振型，加速度传感器收集信号传到信号调节器，利用信号调节器采集信号及转化为数字信号，通过声卡存储到笔记本进行后期的处理，试件振动得到自由衰减振动信号，因为时域参数相同的信号其频率组成和相位信息都不一样，首先对自由衰减振动信号进行区分，利用快速傅里叶变换将信号的时域谱转换成频域谱，通过频域谱最大峰值找到最大峰值对应的频率即为试件的衰减频率；
步骤S5：采用半功率带宽法计算阻尼比。
进一步的，现场取芯试件时圆柱体试件为Φ150mm×170mm，取芯机取出Φ100mm的芯样，所述试件承载平台尺寸为400mm*300mm*50mm，所述力锤重量为5.0g。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明通过力锤施加脉冲激励，激发试件的共振现象，利用无约束共振法是基于自由衰减法实现对沥青混合料阻尼比获取，整个结构测量缺乏精确、快速、简便。
附图说明
图1为本发明实验装置保温箱内部结构示意图。
图2为本发明实施例连接结构示意图。
图3为本发明实施例中试件振动时域谱。
图4为本发明实施例频域谱。
图5为本发明实施例阻尼比计算示意图。
图6为本发明实施例使用Matlab自编程序形成的软件界面示意图。
图7为本发明实施例使用Matlab自编进行沥青混合料阻尼比获取流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
如图1～7所示，一种基于无约束共振法的沥青混合料阻尼比获取装置，包括保温箱10及置于保温箱内的试件承载平台20，所述保温箱10内具有与试件表面粘附的加速度传感器30，所述保温箱内还具有置于试件上方的力锤40，所述保温箱侧部留有以供力锤伸入的开口50。
本实施例中，所述保温箱10包括不锈钢壳体所述不锈钢壳体内表面具有高密度聚乙烯层，所述不锈钢壳体与高密度聚乙烯层之间具有聚氨酯硬泡保温层，所述不锈钢壳体、高密度聚乙烯层及聚氨酯硬泡保温层之间通过粘贴连接。
高密度聚乙烯层采用高密度聚乙烯材料制造具有轻质和较好的硬度、抗拉伸强度，而聚氨酯硬泡保温层采用聚氨酯硬泡材质制造具有良好的保温性能。
本实施例中，加速度传感器通过石蜡粘在试件上；所述信号调节器其输入端连接所述加速度传感器，其输出端与所述麦克风接口连接。其中加速度传感器可实现测点振动信号采集，信号调节器可实现信号放大，并转化为数字信号，再通过与声卡连接可实现采集信号调节器的数字信号，压缩存储到计算机内存中。
所述试件100承载平台材料为聚氨酯软泡。由此且横截面积大于被测试件的横截面积，从而使试件满足自由振动的边界条件。
本实施例中，所述加速传感器30经线路与一信号调节器60的输入端连接，信号调节器60的输出端与一麦克风接口连接。
本实施例中，麦克风接口通过笔记本70内置的声卡所带的麦克风接口作为输入端。
本实施例中，保温箱为长为400mm，宽为300mm，高为300mm，所述加速度传感器，其型号为352B10，所述信号调节器，其型号为485B36，所述笔记本自带声卡最高采样频率为96kHz。
以下对本发明涉及的具体装置、阻尼比计算原理及软件开发程序进行说明。
（2）阻尼比的计算原理
试件振动得到自由衰减振动信号，因为往往时域参数相同的信号，其频率组成和相位信息都不一样，要其进行区分就需要通过快速傅里叶变换，将信号的时域谱（如图3所示）转换成频域谱（如图4所示），频域谱上我们可以看到一个峰值，该最大峰值对应的频率便是试件的衰减频率。
阻尼比的计算采用半功率带宽法，将图3局部放大后如图4所示，图4中的峰值对应的频率为衰减频率，以倍衰减频率的幅值大小绘制横线，与频谱曲线相交于两点，此两点对应的频率分别为f 1、f 2，于是阻尼比计算公式为：
（3）程序设计
本实施例中提供一种使用Matlab程序进行振动信号的采集和处理，并自动计算得出沥青混合料试件的动态模量以及泊松比，当然实际设计中可以采用不同的计算方式或其他程序语言。
本实施例中的程序是基于Matlab R2012b软件开发的，集振动信号数据采集、分析与图形绘制功能于一体，可应用于沥青混合料（或者其它材料）阻尼比测试。它在数值计算、矩阵处理和绘图功能方面功能强大且应用广泛。基于前述理论并结合Matlab软件，编制了沥青混合料振动信号处理程序。
本程序主要的数据采集代码为：
Ai = analoginput ('winsound',0); %'winsound '为声卡的驱动程序
Chan = addchannel (ai,1);%设置采集音频的通道
Duration = str2num(get(handles.edit_sample_duration,'string')); %设定采样时间（单位：s）
Set(ai,'SampleRate',Fs_set);%设置音频信号采集的采样频率***
Set(ai,'TriggerRepeat',1);%设置连续采集的次数
Set(ai,'SamplesPerTrigger',duration*ActualRate);%设置采集音频信号的长度
Blocksize = get(ai,'SamplesPerTrigger');%设置信号长度
需要注意的是，Matlab中声卡驱动功能命令（analoginput ('winsound',0)）在更高版本并没有此工程，应用时需要参考help文件。
如图所示，软件界面主要分为3个界面，输入界面、输出界面、操作界面，输入界面包括系统参数和试件参数，输出界面包括图形输出（时域图和频域图）和参数输出（衰减振动频率和阻尼比），操作界面包括“采集信号”、“计算参数”、“清除”三个按钮。
进行试验时，先输入设置参数，然后点击“数据采集”，软件便开始监测信号，当力锤激励时才开始记录振动信息，并得出信号的时域图和频域图。当振型的信号都采集完，点击“参数计算”，软件便自动计算固有频率对应的阻尼比。
利用如上所述的一种基于无约束共振法的沥青混合料阻尼比获取装置，本实施例中具体测试步骤包括以下步骤：
步骤S1：试件制备，试件制备可分为室内实验室制备试件或者现场取芯试件。室内实验试件步骤为：采用旋转压实仪制备了Φ150mm×170mm的圆柱体试件，然后用取芯机取出Φ100mm的芯样，每组试件准备三个。现场取芯试件步骤为：通过取芯机在所需测点的沥青路面钻取芯样，钻芯直径为Φ100mm。不论是哪种取芯方法，都需要用切割机切去两端不平整的部分；
步骤S2：试件控温：将试件放入保温箱，试件下面放置试件承载平台，试件承载平台材料为聚氨酯软泡，尺寸为400mm*300mm*50mm，为保证试件内部达到目标温度，控温时间至少两个半小时；
步骤S3：仪器准备：先将加速度传感器将石蜡粘在试件边缘，将线引出来，然后传感器连接信号放大器，接着信号放大器的输出端用导线连接到笔记本电脑麦克风接口；
步骤S4：参数设置。输入采样频率、采样时间、信号延迟。参数设置结束后，即可点击“数据采集”；
步骤S5：信号采集：通过保温箱预留的可开合窗口用力锤敲击试件，使试件产生相应振型，加速度传感器收集信号传到信号调节器，利用信号调节器采集信号及转化为数字信号，通过声卡存储到笔记本进行后期的处理，试件振动得到自由衰减振动信号，因为时域参数相同的信号其频率组成和相位信息都不一样，首先对自由衰减振动信号进行区分，利用快速傅里叶变换将信号的时域谱转换成频域谱，通过频域谱最大峰值找到其对应的频率即为试件的衰减频率；
步骤S6：数据处理。点击“参数计算”，利用上述Matlab自编程序进行信号的处理和分析，分析得出材料的阻尼比，输出时域和频域图。
上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述上对零部件进行区别如没有另行声明外，上述词语并没有特殊的含义。
同时，上述本发明如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
另外，上述本发明公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
本发明提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (7)
1.一种基于无约束共振法的沥青混合料阻尼比获取装置，其特征在于，包括保温箱及置于保温箱内的试件承载平台，所述保温箱内具有与试件表面粘附的加速度传感器，所述保温箱内还具有置于试件上方的力锤，所述保温箱侧部留有以供力锤伸入的开口，所述加速传感器经线路与一信号调节器的输入端连接，信号调节器的输出端与一麦克风接口连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于无约束共振法的沥青混合料阻尼比获取装置，其特征在于，所述保温箱包括不锈钢壳体所述不锈钢壳体内表面具有高密度聚乙烯层，所述不锈钢壳体与高密度聚乙烯层之间具有聚氨酯硬泡保温层，所述不锈钢壳体、高密度聚乙烯层及聚氨酯硬泡保温层之间通过粘贴连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于无约束共振法的沥青混合料阻尼比获取装置，其特征在于，所述试件承载平台材料为聚氨酯软泡。
4.根据权利要求1所述的一种基于无约束共振法的沥青混合料阻尼比获取装置，其特征在于，所述保温箱为长为400mm，宽为300mm，高为300mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于无约束共振法的沥青混合料阻尼比获取装置，其特征在于，所述加速度传感器，其型号为352B10，所述信号调节器，其型号为485B36，所述笔记本自带声卡最高采样频率为96kHz。
6.一种基于无约束共振法的沥青混合料阻尼比获取方法，其特征在于，包括利用如权利要求3所述的一种基于无约束共振法的沥青混合料阻尼比获取装置，具体包括以下步骤：
步骤S1：试件制备，试件制备可分为室内实验室制备试件或者现场取芯试件；室内实验试件步骤为：采用旋转压实仪制备圆柱体试件，然后用取芯机取出芯样，每组试件准备三个；现场取芯试件步骤为：通过取芯机在所需测点的沥青路面钻取芯样；上述取芯时必须需要切割机切去两端不平整的部分；
步骤S2：试件控温：将试件放入保温箱，试件下面放置试件承载平台，试件承载平台材料为聚氨酯软泡，为保证试件内部达到目标温度，控温时间至少两个半小时；
步骤S3：仪器准备：先将加速度传感器粘在试件边缘，将线引出来，然后传感器连接信号放大器，接着信号放大器的输出端用导线连接到笔记本电脑麦克风接口；
步骤S4：信号采集：通过保温箱预留的可开合窗口用力锤敲击试件，使试件产生相应振型，加速度传感器收集信号传到信号调节器，利用信号调节器采集信号及转化为数字信号，通过声卡存储到笔记本进行后期的处理，试件振动得到自由衰减振动信号，因为时域参数相同的信号其频率组成和相位信息都不一样，首先对自由衰减振动信号进行区分，利用快速傅里叶变换将信号的时域谱转换成频域谱，通过频域谱最大峰值找到最大峰值对应的频率即为试件的衰减频率；
步骤S5：采用半功率带宽法计算阻尼比。
7.根据权利要求6所述的一种基于无约束共振法的沥青混合料阻尼比获取方法，其特征在于，现场取芯试件时圆柱体试件为Φ150mm×170mm，取芯机取出Φ100mm的芯样，所述试件承载平台尺寸为400mm*300mm*50mm，所述力锤重量为5.0g。
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