CN116659941B - 力学超材料的设计方法、力学超材料、土壤取样机及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料设计技术领域，公开了一种力学超材料的设计方法、力学超材料、土壤取样机及装置，力学超材料用于吸附土壤取样机工作中产生的噪声，力学超材料包括支撑体、包覆层和质量块，该方法包括：对土壤取样机的工作频率进行测试，得到测试结果；基于测试结果确定支撑体、包覆层和质量块的材料组成；基于材料组成设计支撑体、包覆层和质量块的形状和尺寸。本发明设计的力学超材料解决了影响施工效率为代价而降低土壤取样机工作中的噪声的问题。

Description

力学超材料的设计方法、力学超材料、土壤取样机及装置

技术领域

本发明涉及材料设计技术领域，具体涉及一种力学超材料的设计方法、力学超材料、土壤取样机及装置。

背景技术

土壤是环境的重要组成部分，土壤检测是指通过对影响土壤环境质量因素的代表值的测定，确定环境质量（或污染程度）及其变化趋势。一般可以分为区域土壤背景、农田土壤环境、建设项目土壤环境评价、土壤污染事故等类型的监测，包括布点采样、样品制备、分析方法、结果表征、资料统计和质量评价等技术内容。土壤污染物有下列四类：①化学污染物。包括无机污染物和有机污染物。前者如汞、镉、铅、砷等重金属，过量的氮、磷植物营养元素以及氧化物和硫化物等；后者如各种化学农药、石油及其裂解产物，以及其他各类有机合成产物等。②物理污染物。指来自工厂、矿山的固体废弃物如尾矿、废石、粉煤灰和工业垃圾等。③生物污染物。指带有各种病菌的城市垃圾和由卫生设施（包括医院）排出的废水、废物以及厩肥等。④放射性污染物。主要存在于核原料开采和大气层核爆炸地区，以锶和铯等在土壤中生存期长的放射性元素为主。对上述污染物进行检测前，均需要对土壤进行采样，而采样过程中采用的geoprobe钻机，往往伴随高声压级的噪声污染，目前，针对geoprobe土壤钻机的噪声污染控制技术主要有2种方法：

方法一，是利用阻尼材料覆盖钻头。该方法虽然在一定程度上降低了噪声声压级，但是由于包覆阻尼的阻抗与土壤阻抗接近，导致振动能量大多被吸收，从而使geoprobe钻机取样效率有所下降。

方法二，是使用耳塞对施工工人进行个体防护。该方法针对工人进行了保护，但是对周边居民的影响仍在，由此而导致的取样过程中的投诉现象仍然影响着项目的整体进度。

上述两种方法为了克服土壤取样中的噪声问题，都以施工效率为代偿，致使土壤取样工作工期延长。亟需设计一种材料能够在不影响施工效率的前提下吸附土壤取样机工作中的噪声问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种力学超材料的设计方法、力学超材料、土壤取样机及装置，以解决影响施工效率为代价而降低土壤取样机工作中的噪声的问题。

第一方面，本发明提供了一种力学超材料的设计方法，力学超材料用于吸附土壤取样机工作中产生的噪声，力学超材料包括支撑体、包覆层和质量块，所述方法包括：

对土壤取样机的工作频率进行测试，得到测试结果；

基于测试结果确定支撑体、包覆层和质量块的材料组成；

基于材料组成设计支撑体、包覆层和质量块的形状和尺寸。

本发明提供的力学超材料的设计方法，结合土壤取样机的工作频率确定支撑体、包覆层和质量块的材料组成，并基于材料组成设计支撑体、包覆层和质量块的形状和尺寸。在设计过程中结合土壤取样机的工作频率设计力学超材料，使设计出的力学超材料能够对土壤取样机工作过程中的振动噪声进行高效吸收，在达到减少噪声污染的同时不减少工作效率，解决了影响施工效率为代价而降低土壤取样机工作中的噪声的问题。

在一种可选的实施方式中，对土壤取样机的工作频率进行测试，得到测试结果包括：

获取土壤取样机工作状态下的加速度和表面位移的时域数据；

基于加速度和表面位移的时域数据，采用预设算法计算土壤取样机的频谱特性；

提取频谱特性中的峰值工作频率，作为测试结果。

本发明提供的力学超材料的设计方法，通过获取土壤取样机工作状态下的加速度和表面位移的时域数据，并采用预设算法计算土壤取样机的频谱特性，提取频谱特性中的峰值工作频率，作为测试结果，设计力学超材料结合工作时土壤取样机的频谱特性，以及其中的峰值工作频率，为后续确定力学超材料的材料组成提供了理论基础。

在一种可选的实施方式中，获取土壤取样机工作状态下的加速度和表面位移的时域数据，包括：

采用加速度传感器获取土壤取样机工作状态下的加速度和表面位移的时域数据，加速度传感器安装有同轴电缆；当加速度传感器为隔离式传感器时，在同轴电缆与加速度传感器和土壤取样机的连接点安装电气隔离装置；当加速度传感器为非隔离式传感器时，在加速度传感器安装隔离式安装垫。

本发明提供的力学超材料的设计方法，采用加速度传感器获取土壤取样机工作状态下的加速度和表面位移的时域数据并安装隔离装置或隔离式安装垫，最大程度防止外接干扰，使得获取的土壤取样机工作状态下的加速度和表面位移的时域数据更加准确，进而间接提高了土壤取样机的频谱特性的精确度。

在一种可选的实施方式中，基于测试结果确定支撑体、包覆层和质量块的材料组成包括：

根据峰值工作频率与噪声声压的匹配关系分别选取支撑体的材料为铝合金，包覆层的材料为硅橡胶，质量块的材料为铅。

本发明提供的力学超材料的设计方法，根据峰值工作频率与噪声声压的匹配关系分别选取支撑体的材料为铝合金，包覆层的材料为硅橡胶，质量块的材料为铅，材料组成简单，易于制备，能最大程度的对噪声振动进行吸收。

在一种可选的实施方式中，基于材料组成设计支撑体、包覆层和质量块的形状和尺寸包括：

根据支撑体、包覆层和质量块建立单元结构，并对单元结构施加边界条件；

从单元结构中去除低于预设单元密度阈值的区域后生成单元能带计算模型；

建立振动噪声传输损失模型对单元能带计算模型验证，得到支撑体、包覆层和质量块的形状和尺寸。

在一种可选的实施方式中，单元结构为：从外到内依次设计支撑体、包覆层和质量块；支撑体、包覆层和质量块同轴设计。

本发明提供的力学超材料的设计方法，在设计力学超材料结构组成时基于拓扑理论进行设计，避免了大量参数化扫描的计算量。从单元结构中去除低于预设单元密度阈值的区域后生成能带计算模型为效果最好的噪声振动吸收模型，并建立振动噪声传输损失模型对单元能带计算模型验证，得到支撑体、包覆层和质量块的形状和尺寸，验证了单元能带计算模型的准确性。

在一种可选的实施方式中，建立振动噪声传输损失模型对单元能带计算模型验证包括：

采用有限元方式建立激振区、传输区、材料区和吸声区作为振动噪声传输损失模型，所述材料区由所述单元能带计算模型建立；

通过单层板隔声理论依次对所述激振区、传输区、材料区和吸声区进行声音传输，对所述材料区隔声量进行验证。

在一种可选的实施方式中，支撑体的形状为方形，尺寸为10-20厘米*10-20厘米，包覆层的形状为圆环形，尺寸为半径6-9厘米，质量块的形状为圆形，尺寸为半径3-5厘米。

本发明提供的力学超材料的设计方法，采用有限元方式建立激振区、传输区、材料区和吸声区作为振动噪声传输损失模型，并通过单层板隔声理论依次对激振区、传输区、材料区和吸声区进行声音传输，对材料区隔声量进行验证，验证了单元能带计算模型的准确性，得出最终的力学超材料形状和尺寸，能够对土壤取样机工作过程中的振动噪声进行高效吸收。

第二方面，本发明提供了一种力学超材料，力学超材料采用第一方面或其对应的任一实施方式的力学超材料的设计方法得到。

本发明提供的力学超材料，材料组成简单，易于制备，使设计出的力学超材料能够对土壤取样机工作过程中的振动噪声进行高效吸收，在达到减少噪声污染的同时不减少工作效率，解决了影响施工效率为代价而降低土壤取样机工作中的噪声的问题。

第三方面，本发明提供了一种土壤取样机，土壤取样机包括：取样机本体以及第二方面的力学超材料；

取样机本体包括液压锤；力学超材料固定连接在液压锤的上方，且与液压锤垂直同轴安装。

本发明提供的土壤取样机，将力学超材料固定连接在液压锤的上方，且与液压锤垂直同轴安装，可以对土壤取样机工作中噪声振动进行高效吸收，在达到减少噪声污染的同时不减少工作效率，解决了影响施工效率为代价而降低土壤取样机工作中的噪声的问题。

第四方面，本发明提供了力学超材料的设计装置，力学超材料用于吸附土壤取样机工作中产生的噪声，力学超材料包括支撑体、包覆层和质量块，所述装置包括：

测试模块，用于对土壤取样机的工作频率进行测试，得到测试结果；

确定模块，用于基于测试结果确定支撑体、包覆层和质量块的材料组成；

设计模块，用于基于材料组成设计支撑体、包覆层和质量块的形状和尺寸。

第五方面，本发明提供了一种计算机设备，包括：存储器和处理器，存储器和处理器之间互相通信连接，存储器中存储有计算机指令，处理器通过执行计算机指令，从而执行上述第一方面或其对应的任一实施方式的力学超材料的设计方法。

第六方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机指令，计算机指令用于使计算机执行上述第一方面或其对应的任一实施方式的力学超材料的设计方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的力学超材料的设计方法的流程示意图；

图2是根据本发明实施例的另一力学超材料的设计方法的流程示意图；

图3是根据本发明实施例的又一力学超材料的设计方法的流程示意图；

图4是根据本发明实施例的力学超材料的设计的单元能带计算模型示意图；

图5是根据本发明实施例的振动噪声传输损失模型的示意图；

图6是根据本发明实施例的力学超材料基体开孔示意图；

图7是根据本发明实施例的土壤取样机液压锤振幅大处开孔示意图；

图8是根据本发明实施例的安装有力学超材料的土壤取样机示意图；

图9是根据本发明实施例的力学超材料隔声量的波形图；

图10是根据本发明实施例的力学超材料的设计装置的结构框图；

图11是本发明实施例的计算机设备的硬件结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据本发明实施例，提供了一种力学超材料的设计方法实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

在本实施例中提供了一种力学超材料的设计方法，力学超材料用于吸附土壤取样机工作中产生的噪声，图1是根据本发明实施例的力学超材料的设计方法的流程图，如图1所示，该流程包括如下步骤：

步骤S101，对土壤取样机的工作频率进行测试，得到测试结果。例如，以geoprobe土壤取样机（直推式土壤取样机）为例，geoprobe土壤取样机重量约为3.5吨，配备58马力的8缸久保田柴油发动机，液压可达到4000PSI（PSI为Pounds per square inch的简写，为压强单位，磅力/平方英寸），geoprobe土壤取样机包括：主机、1.5英寸钻杆、2.25英寸钻杆、2.25英寸双套管土壤采样系统、地下水采样系统、中控螺旋钻系统、灌注系统等。其核心部件是液压锤，冲击频率2000次/分钟，每次冲击力在20000磅以上。液压锤内置六角驱动头，可提供双向旋转快速路面钻探、混凝土取芯、进行锚定或螺旋钻探功能，液压锤也具有回拔功能，具有超过20吨回拔力的绞盘系统。当土壤取样机处于工作状态时，对土壤取样机工作时液压锤的工作频率通过外部装置进行测试，得到测试结果。

步骤S102，基于测试结果确定支撑体、包覆层和质量块的材料组成。具体地，根据测试液压锤的工作频率得到的测试结果确定力学超材料的材料组成，由于峰值工作频率对噪声声压影响较大，因此可以基于工作频率中的峰值工作频率确定支撑体、包覆层和质量块的材料组成。

力学超材料包括支撑体、包覆层和质量块，确定力学超材料的材料组成即确定支撑体、包覆层和质量块的材料组成。峰值频率与声音有关。声音是一种机械波，它的振动频率决定了声音的音调。当声音的振动频率达到峰值频率时，声音的音量会达到最大值。因此，峰值频率是衡量声音强度的重要指标。当声音传入力学超材料表面时，由于力学超材料的振动或声音在其中传播时与周围介质摩擦，由声能转化成热能，声能被损耗，即通常所说声音被材料吸收。根据材料的结构不同，吸音材料可分为多孔、共振、特殊结构等 3 类。例如：可以从环氧树脂和铝合金材料中选取支撑体的材料组成，选取硅橡胶为包覆层材料组成，从铅和坞中选取质量块的材料组成等。基于频谱特性的峰值工作频率选取能吸附声音效果最好的材料作为支撑体、包覆层和质量块的材料组成。

步骤S103，基于材料组成设计支撑体、包覆层和质量块的形状和尺寸。具体地，当选取支撑体、包覆层和质量块的材料组成后，基于材料组成设计支撑体、包覆层和质量块之间的安装关系以及支撑体、包覆层和质量块的形状和尺寸，使最终设计的力学超材料的结构组成达到吸声效果最好。例如：最终得到力学超材料支撑体的形状为方形，最优单元尺寸为15cm*15cm，包覆层为圆环形，半径为7cm，质量块为圆形，半径为5cm，力学超材料厚度的为2cm。

本发明提供的力学超材料的设计方法，结合土壤取样机的工作频率确定支撑体、包覆层和质量块的材料组成，并基于材料组成设计支撑体、包覆层和质量块的形状和尺寸。在设计过程中结合土壤取样机的工作频率设计力学超材料，使设计出的力学超材料能够对土壤取样机工作过程中的振动噪声进行高效吸收，在达到减少噪声污染的同时不减少工作效率，解决了影响施工效率为代价而降低土壤取样机工作中的噪声的问题。

在本实施例中提供了一种力学超材料的设计方法，力学超材料用于吸附土壤取样机工作中产生的噪声，图2是根据本发明实施例的力学超材料的设计方法的流程图，如图2所示，该流程包括如下步骤：

步骤S201，对土壤取样机的工作频率进行测试，得到测试结果。

具体地，上述步骤S201包括：

步骤S2011，获取土壤取样机工作状态下的加速度和表面位移的时域数据；

在一些可选的实施方式中，步骤S2011包括：

采用加速度传感器获取土壤取样机工作状态下的加速度和表面位移的时域数据，加速度传感器安装有同轴电缆；当加速度传感器为隔离式传感器时，在同轴电缆与加速度传感器和土壤取样机的连接点安装电气隔离装置；当加速度传感器为非隔离式传感器时，在加速度传感器安装隔离式安装垫。具体地，将加速度传感器通过磁吸座磁吸至土壤取样机，在安装之前将土壤取样机表面研磨平滑。在土壤取样机上涂抹硅油后提高紧密性，达到螺丝固定的效果。加速度传感器线缆需要在土壤取样器多个位置固定，防止由于没有固定电缆发生噪声振动时，此振动可能会由土壤取样机以外的组件引起，引入的振动会影响加速度传感器测试信号的失真，将加速度传感器电缆直接固定到加速度传感器本身可以防止外部影响引起测试信号的失真问题。在设计和安装过程中，结合电缆屏蔽层或导体的接地，以提供适当的屏蔽层防止接地回路。接地回路通常以50/60 Hz的线路频率将干扰作为噪声传输到测量信号中，当一条公共线（例如IEPE加速度计装置的信号返回/屏蔽）在两个电位不同的点接地时，就会形成接地回路。对于带有同轴电缆的加速度传感器，同轴电缆的中心导体承载信号和供电，而外部编织层提供屏蔽和信号返回。当加速度传感器为隔离式传感器时，在同轴电缆与加速度传感器和土壤取样机的连接点安装电气隔离装置，从而防止了接地回路对振动信号的影响。当加速度传感器为非隔离式传感器时，在加速度传感器上安装隔离式安装垫来断开可能的接地回路。安装加速度传感器后对工作状态下土壤取样机的液压锤进行加速度与表面位移的时域数据测试。

步骤S2012，基于加速度和表面位移的时域数据采用预设算法计算土壤取样机的频谱特性；具体地，预设算法可以为傅里叶变换算法，傅里叶变换算法是一种将时间域信号转换为频率域信号的算法，其算法可以实现频域信号的分析和合成，将离散的时域信号转换为连续的频域信号。将测试得到的加速度和表面位移的时域数据输入计算机中，采用傅里叶变换算法后得到土壤取样机工作时频率的频谱特性曲线，频谱特性曲线为连续的频率信号，具有峰值和峰谷。

步骤S2013，提取频谱特性中的峰值工作频率，作为测试结果。具体地，从频谱特性曲线中提取其中的峰值工作频率，作为测试结果。例如，频谱特性显示在工作频率为30Hz（赫兹）为峰值工作频率，这时将30Hz的峰值工作频率作为测试结果。

步骤S202，基于测试结果确定支撑体、包覆层和质量块的材料组成。

具体地，步骤S202包括：根据峰值工作频率与噪声声压的匹配关系分别选取支撑体的材料为铝合金，包覆层的材料为硅橡胶，质量块的材料为铅。噪声声压指的是例如：频谱特性显示在30Hz为峰值工作频率，峰值工作频率贡献了90%的噪声声压，因此基于峰值工作频率与噪声声压的匹配关系确定支撑体、包覆层和质量块的材料组成分别是：支撑体的材料为铝合金，包覆层的材料为硅橡胶，质量块的材料为铅。

步骤S203，基于材料组成设计支撑体、包覆层和质量块的形状和尺寸。详细请参见图1所示实施例的步骤S103，在此不再赘述。

本发明提供的力学超材料的设计方法，采用加速度传感器获取土壤取样机工作状态下的加速度和表面位移的时域数据并安装隔离装置或隔离式安装垫，最大程度防止外接干扰，使得获取的土壤取样机工作状态下的加速度和表面位移的时域数据更加准确，并通过获取土壤取样机工作状态下的加速度和表面位移的时域数据，并采用预设算法计算土壤取样机的频谱特性，提取频谱特性中的峰值工作频率，作为测试结果，设计力学超材料结合工作时土壤取样机的频谱特性，以及其中的峰值工作频率，为后续确定力学超材料的材料组成提供了理论基础。

在本实施例中提供了一种力学超材料的设计方法，力学超材料用于吸附土壤取样机工作中产生的噪声，图3是根据本发明实施例的力学超材料的设计方法的流程图，如图3所示，该流程包括如下步骤：

步骤S301，对土壤取样机的工作频率进行测试，得到测试结果。详细请参见图2所示实施例的步骤S201，在此不再赘述。

步骤S302，基于测试结果确定支撑体、包覆层和质量块的材料组成。详细请参见图2所示实施例的步骤S202，在此不再赘述。

步骤S303，基于材料组成设计支撑体、包覆层和质量块的形状和尺寸。

具体地，上述步骤S303包括：

步骤S3031，根据支撑体、包覆层和质量块建立单元结构，并对所述单元结构施加边界条件；

在一些可选的实施方式中，上述步骤S3031包括：

单元结构为：从外到内依次设计支撑体、包覆层和质量块；支撑体、包覆层和质量块同轴设计。具体地，在确定材料组成后，基于拓扑优化理论对力学超材料的结构组成进行设计，采用有限元软件，在对设计领域进行离散的基础上，假设整个设计空间为类似晶体分布的单元结构，单元结构为：从外到内依次设计支撑体、包覆层和质量块；支撑体、包覆层和质量块同轴设计。在拓扑优化前，预设单元结构的单元分布均匀，大小相同。在拓扑优化过程中，对单元结构施加边界条件，边界条件可以为施加的应力。单元结构的密度分布发生变化，高应力区域的单元密度变大，低应力区域的单元密度变小。在优化过程中形成一种高效率减震的单元结构，这种结构在高应力区域密集，在低应力区域密度较低。

步骤S3032，从单元结构中去除低于预设单元密度阈值的区域后生成单元能带计算模型。具体地，预设单元密度阈值可以定义单元最小密度值，把小于单元最小密度值的单元区域并从单元结构中去除，生成了材料力学效果最高的减振结构，再对单元结构的刚度、强度、稳定性等特性进行仿真计算后生成单元能带计算模型。如图4所示，为单元能带计算模型示意图，其中：11表示质量块，12表示包覆层，13表示支撑体。

在一些可选的实施方式中，基于平面波展开算法计算，将波失依次穿过倒格矢空间的高对称点连线，并以平面波叠加的形式运用公式（1）得到能量与频率的关系，即生成单元能带计算模型：

（1）

式中：表示在位置矢量r处的单元能带计算模型；

表示倒格矢量，是傅里叶空间中的周期点阵；

表示傅里叶系数，傅里叶系数在傅里叶空间中，傅里叶空间又可以称为波矢空间；/>表示位置矢量，/>，/>表示空间位置的x轴、y轴、z轴。

步骤S3033，建立振动噪声传输损失模型对单元能带计算模型验证，得到支撑体、包覆层和质量块的形状和尺寸。

在一些可选的实施方式中，上述步骤S3033包括：

步骤a1，采用有限元方式建立激振区、传输区、材料区和吸声区作为振动噪声传输损失模型。

在有限元软件中建立振动噪声传输损失模型，振动噪声传输损失模型包含激振区21、传输区22、材料区23和吸声区24四部分，激振区21用于在声音传输时产生声音振动，传输区22用于将激振区产生的声音振动传输给材料区23，材料区23用于测试所设计材料的声音振动的吸收效果，吸声区24用于将材料区未吸收的声音振动吸收。振动噪声传输损失模型可以为圆柱形，当为圆形时，激振区21、传输区22、材料区23和吸声区24也都为圆柱形；振动噪声传输损失模型也可以为方体形，当为圆形时，激振区21、传输区22、材料区23和吸声区24也都为方体形；振动噪声传输损失模型的方体形模型如图5所示。

步骤a2，通过单层板隔声理论依次对激振区21、传输区22、材料区23和吸声区24进行声音传输，对材料区隔声量进行验证。

通过其隔声峰值对于的频率值随着质量块半径的减小以及包覆层厚度的增加而产生的函数关系对圆柱形材料区和方体形材料区隔声量进行验证。例如：定义圆柱形材料区和方体形材料区尺寸a＝150mm，板厚h＝20mm，包覆层外半径R1＝70mm。质量块的半径R2为变量，以0 .1mm为步长，令R2从76mm到50mm进行参数化计算隔声量。发现其隔声峰值对于的频率值随着质量块半径的减小以及包覆层厚度的增加，呈现出先减小再增大的趋势。当R2＝50mm时，隔声峰值频率达到最低点，隔声量大于55dB（dB表示分贝）维持在较高水平；当R2大于50mm时，声子晶体隔声板质量变大，隔声频率同时变高，当R2小于50mm时，声子晶体隔声板隔声频率变高，隔声量明显下降。方体形材料区的隔声特性优于圆柱形材料区。mm表示毫米。

基于三维弹性波波动方程组对材料区隔声量进行计算：

（2）

其中：为拉梅常数；/>为总线应变，/>，/>为在空间位置的x轴，y轴，z轴方向的应力；/>为位移分量；/>为单位质量在空间位置的x轴，y轴，z轴方向的外力分量(N/kg，牛顿/千克)，/>为拉普拉斯算子，。

通过对单元能带计算模型的能带与传输损失的计算，最终设计力学超材料结构中支撑体的形状为方形，尺寸范围可选10-20厘米*10-20厘米，包覆层的形状为圆环形，尺寸为6-9厘米，质量块的形状为圆形，尺寸为3-5厘米。其中，最优结构为单元支撑体设计为15厘米*15厘米，包覆层的形状为圆环形，尺寸为半径7厘米，质量块的形状为圆形，尺寸为半径5厘米，超材料厚度为2厘米。

本发明提供的力学超材料的设计方法，采用有限元方式建立激振区、传输区、材料区和吸声区作为振动噪声传输损失模型，并通过单层板隔声理论依次对激振区、传输区、材料区和吸声区进行声音传输，对材料区隔声量进行验证，验证了单元能带计算模型验证的准确性，得出最终的力学超材料形状和尺寸，能够对土壤取样机工作过程中的振动噪声进行高效吸收。

本发明实施例还提供一种力学超材料，力学超材料采用上述实施例的力学超材料的设计方法得到。力学超材料用于吸附土壤取样机工作中产生的噪声。上述力学超材料的设计方法的具体步骤与上述对应实施例相同，在此不再赘述。

力学超材料包括支撑体、包覆层和质量块，支撑体的材料为铝合金，包覆层的材料为硅橡胶，质量块的材料为铅。支撑体的形状为方形，尺寸范围可选10-20厘米*10-20厘米，包覆层的形状为圆环形，尺寸为6-9厘米，质量块的形状为圆形，尺寸为3-5厘米。其中，最优结构为单元支撑体设计为15厘米*15厘米，包覆层的形状为圆环形，尺寸为半径7厘米，质量块的形状为圆形，尺寸为半径5厘米，超材料厚度为2厘米。

本发明提供的力学超材料，材料组成简单，易于制备，使设计出的力学超材料能够对土壤取样机工作过程中的振动噪声进行高效吸收，在达到减少噪声污染的同时不减少工作效率，解决了影响施工效率为代价而降低土壤取样机工作中的噪声的问题。

本发明实施例还提供了一种土壤取样机，土壤取样机包括：取样机本体以及上述实施例的力学超材料；取样机本体包括液压锤；力学超材料固定连接在液压锤的上方，且与液压锤垂直同轴安装。

在一些可选的实施方式中，如图6所示，首先，将针对土壤取样机相应频率的力学超材料基体四个方向上钻孔，孔的作用是连接土壤取样机本体，为了不影响超材料的力学响应，需要通过仿真计算基体应力最小的区域内选取，通过应力分析显示，在超材料对角线的四个方向上应力较其他区域更小，因此，选择在对象线上，并距力学超材料中心点距离一致的四个点进行钻孔。

其次，将土壤取样机振动幅值大的区域（液压锤上方）以力学超材料孔径与孔间距相同的位置处钻孔。通过仿真分析，显示钻机液压锤上方的振幅较大，数值为1mm-2mm，其他部分均小于1mm，mm表示毫米。土壤取样机液压锤振幅大处开孔示意图如图7所示。

最后，利用螺丝将力学超材料通过孔径固定至土壤取样机的液压锤上。安装完的土壤取样机如图8所示。1表示液压锤，2表示力学超材料，3表示螺丝。

对安装有力学超材料的土壤取样机做周期化设计，并进行隔声量计算，得到隔声量与30Hz时的振型位移如图9所示。通过对振动位移分析，可知力学超材料在受到土壤取样机工作峰值频率激励后，会产生质量块与基体的反相振动，从而使整体等效位移趋近于无穷小，使得噪声在峰值工作频率下得到极大衰减。

在一些可选的实施方式中，对采用本发明安装有力学超材料的土壤取样机的实施例1和对比实时例1和对比实施例2的近场工人与周边居民降噪量进行对比，其中，对比实时例1为贴附阻尼材料，对比实时例2为佩戴耳塞，对比数据如下表1所示。

表1实施例1与对比实施例1和对比实施例2的降噪量对比

从表1可以看出，相对于对比实施例1和对比实施例2，采用本发明的安装有力学超材料的土壤取样机进行取样时，工作近场工人降噪量为55dB，周边居民降噪量为53dB，与对比实施例1和对比实施例2对比，显示在近场与远场的降噪量皆有明显提高，且不影响施工进度，从而得知本发明的基于力学超材料的geoprobe土壤取样机兼顾了土壤取样中的声环境效率与经济效率，减少噪声污染的同时不减少工作效率。

本发明提供的土壤取样机，将力学超材料固定连接在液压锤的上方，且与液压锤垂直同轴安装，可以对土壤取样机工作中噪声振动进行高效吸收，从而使近场降噪量高达55dB，远大于常规降噪方法的近场降噪量，不仅对近场振动噪声衰减大，并且对远场噪声的衰减量仍然高达53dB，有效保护了周边居民的身体健康，有效保证了作业工人的职业防护。对近、远场噪声有效衰减的同时，对工作效率不产生任何负面影响，可以确保工期如期完工，解决了影响施工效率为代价而降低土壤取样机工作中的噪声的问题。

在本实施例中还提供了一种力学超材料的设计装置，该装置用于实现上述实施例及优选实施方式，已经进行过说明的不再赘述。如以下所使用的，术语“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

本实施例提供一种力学超材料的设计装置，力学超材料用于吸附土壤取样机工作中产生的噪声，力学超材料包括支撑体、包覆层和质量块，如图10所示，

力学超材料的设计装置包括：

测试模块1001，用于对土壤取样机的工作频率进行测试，得到测试结果；

确定模块1002，用于基于测试结果确定支撑体、包覆层和质量块的材料组成；

设计模块1003，用于基于材料组成设计支撑体、包覆层和质量块的形状和尺寸。

在一些可选的实施方式中，测试模块1001包括：

获取单元，用于获取土壤取样机工作状态下的加速度和表面位移的时域数据；

计算单元，用于基于加速度和表面位移的时域数据采用预设算法计算土壤取样机的频谱特性；

提取单元，用于提取频谱特性中的峰值工作频率，作为测试结果。

在一些可选的实施方式中，设计模块1003包括：

建立单元，用于根据支撑体、包覆层和质量块建立单元结构，并对单元结构施加边界条件；

生成单元，用于从单元结构中去除低于预设单元密度阈值的区域后生成单元能带计算模型；

验证单元，用于建立振动噪声传输损失模型对单元能带计算模型验证，得到支撑体、包覆层和质量块的形状和尺寸。

在一些可选的实施方式中，验证单元包括：

建立子单元，用于采用有限元方式建立激振区、传输区、材料区和吸声区作为振动噪声传输损失模型；

验证子单元，用于通过单层板隔声理论依次对激振区、传输区、材料区和吸声区进行声音传输，对材料区隔声量进行验证。

上述各个模块和单元的更进一步的功能描述与上述对应实施例相同，在此不再赘述。

本实施例中的力学超材料的设计装置是以功能单元的形式来呈现，这里的单元是指ASIC（Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路）电路，执行一个或多个软件或固定程序的处理器和存储器，和/或其他可以提供上述功能的器件。

本发明实施例还提供一种计算机设备，具有上述图10所示的力学超材料的设计装置。

请参阅图11，图11是本发明可选实施例提供的一种计算机设备的结构示意图，如图11所示，该计算机设备包括：一个或多个处理器10、存储器20，以及用于连接各部件的接口，包括高速接口和低速接口。各个部件利用不同的总线互相通信连接，并且可以被安装在公共主板上或者根据需要以其它方式安装。处理器可以对在计算机设备内执行的指令进行处理，包括存储在存储器中或者存储器上以在外部输入/输出装置(诸如，耦合至接口的显示设备)上显示GUI的图形信息的指令。在一些可选的实施方式中，若需要，可以将多个处理器和/或多条总线与多个存储器和多个存储器一起使用。同样，可以连接多个计算机设备，各个设备提供部分必要的操作(例如，作为服务器阵列、一组刀片式服务器、或者多处理器系统)。图11中以一个处理器10为例。

处理器10可以是中央处理器，网络处理器或其组合。其中，处理器10还可以进一步包括硬件芯片。上述硬件芯片可以是专用集成电路，可编程逻辑器件或其组合。上述可编程逻辑器件可以是复杂可编程逻辑器件，现场可编程逻辑门阵列，通用阵列逻辑或其任意组合。

其中，所述存储器20存储有可由至少一个处理器10执行的指令，以使所述至少一个处理器10执行实现上述实施例示出的方法。

存储器20可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据计算机设备的使用所创建的数据等。此外，存储器20可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非瞬时存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非瞬时固态存储器件。在一些可选的实施方式中，存储器20可选包括相对于处理器10远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至该计算机设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

存储器20可以包括易失性存储器，例如，随机存取存储器；存储器也可以包括非易失性存储器，例如，快闪存储器，硬盘或固态硬盘；存储器20还可以包括上述种类的存储器的组合。

该计算机设备还包括通信接口30，用于该计算机设备与其他设备或通信网络通信。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，上述根据本发明实施例的方法可在硬件、固件中实现，或者被实现为可记录在存储介质，或者被实现通过网络下载的原始存储在远程存储介质或非暂时机器可读存储介质中并将被存储在本地存储介质中的计算机代码，从而在此描述的方法可被存储在使用通用计算机、专用处理器或者可编程或专用硬件的存储介质上的这样的软件处理。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体、随机存储记忆体、快闪存储器、硬盘或固态硬盘等；进一步地，存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。可以理解，计算机、处理器、微处理器控制器或可编程硬件包括可存储或接收软件或计算机代码的存储组件，当软件或计算机代码被计算机、处理器或硬件访问且执行时，实现上述实施例示出的方法。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (7)

1.一种力学超材料的设计方法，其特征在于，所述力学超材料用于吸附土壤取样机工作中产生的噪声，所述力学超材料包括支撑体、包覆层和质量块，所述方法包括：

对所述土壤取样机的工作频率进行测试，得到测试结果；

基于所述测试结果确定支撑体、包覆层和质量块的材料组成；

基于所述材料组成设计支撑体、包覆层和质量块的形状和尺寸；

对所述土壤取样机的工作频率进行测试，得到测试结果包括：

获取土壤取样机工作状态下的加速度和表面位移的时域数据；

基于加速度和表面位移的时域数据采用预设算法计算土壤取样机的频谱特性；

提取所述频谱特性中的峰值工作频率，作为测试结果；

所述获取土壤取样机工作状态下的加速度和表面位移的时域数据，包括：

采用加速度传感器获取土壤取样机工作状态下的加速度和表面位移的时域数据，所述加速度传感器安装有同轴电缆；

当所述加速度传感器为隔离式传感器时，在所述同轴电缆与加速度传感器和所述土壤取样机的连接点安装电气隔离装置；

当所述加速度传感器为非隔离式传感器时，在所述加速度传感器安装隔离式安装垫；

所述基于所述测试结果确定支撑体、包覆层和质量块的材料组成包括：

根据峰值工作频率与噪声声压的匹配关系分别选取支撑体的材料为铝合金，包覆层的材料为硅橡胶，质量块的材料为铅；

所述基于所述材料组成设计支撑体、包覆层和质量块的形状和尺寸包括：

根据支撑体、包覆层和质量块建立单元结构，并对所述单元结构施加边界条件；

从所述单元结构中去除低于预设单元密度阈值的区域后生成单元能带计算模型；

建立振动噪声传输损失模型对所述单元能带计算模型验证，得到支撑体、包覆层和质量块的形状和尺寸；

所述单元结构为：从外到内依次设计支撑体、包覆层和质量块；所述支撑体、包覆层和质量块同轴设计；

所述建立振动噪声传输损失模型对所述单元能带计算模型验证包括：

采用有限元方式建立激振区、传输区、材料区和吸声区作为振动噪声传输损失模型，所述材料区由所述单元能带计算模型建立；

通过单层板隔声理论依次对所述激振区、传输区、材料区和吸声区进行声音传输，对所述材料区隔声量进行验证。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述支撑体的形状为方形，尺寸为（10-20厘米）×（10-20厘米），所述包覆层的形状为圆环形，尺寸为半径6-9厘米，所述质量块的形状为圆形，尺寸为半径3-5厘米。

3.一种力学超材料，其特征在于，所述力学超材料采用如权利要求1至2中任一项所述的力学超材料的设计方法得到。

4.一种土壤取样机，其特征在于，所述土壤取样机包括：取样机本体以及如权利要求3所述的力学超材料；

所述取样机本体包括液压锤；所述力学超材料固定连接在所述液压锤的上方，且与所述液压锤垂直同轴安装。

5.一种力学超材料的设计装置，其特征在于，所述装置应用于如权利要求1至2中任一项所述的力学超材料的设计方法，所述力学超材料用于吸附土壤取样机工作中产生的噪声，所述力学超材料包括支撑体、包覆层和质量块，所述装置包括：

测试模块，用于对所述土壤取样机的工作频率进行测试，得到测试结果；

确定模块，用于基于所述测试结果确定支撑体、包覆层和质量块的材料组成；

设计模块，用于基于所述材料组成设计支撑体、包覆层和质量块的形状和尺寸。

6.一种计算机设备，其特征在于，包括：

存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行权利要求1至2中任一项所述的力学超材料的设计方法。

7.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机指令，所述计算机指令用于使计算机执行权利要求1至2中任一项所述的力学超材料的设计方法。