一种分形结构输入的孤立波超材料无损检测装置及应用

1.本发明涉及人工弹性波超构材料技术领域，尤其涉及一种分形结构输入的孤立波超材料无损检测装置。


背景技术：

2.近年来，声子晶体引起了许多领域学者的广泛兴趣，是一种材料常数呈周期变化的人造周期结构，颗粒声子晶体与弹性波超材料是其中目前研究较多的一种形式。颗粒声子晶体中相互接触的弹性颗粒满足赫兹接触定律，其非线性也主要来自于相邻粒子间的接触变形。颗粒声子晶体的非线性波传播表现出丰富的波动特性，并展现出广阔的应用前景。其中，相同颗粒组成的一维颗粒链中可以形成高度非线性孤立波，可以在较远的距离保持稳定的传播，并且该波的反射、透射等现象均与相接触的物质属性有关。正是这些特殊的传播特性，使得一维颗粒链成为高度非线性孤立波一个很好的载体。随着无损检测技术的发展与无损检测仪器的改进，人们对无损检测的技术等有了更高的要求，使得一维颗粒链孤立波无损检测方法得到了广泛的关注。基于颗粒链中的孤立波探伤具有体积小、便携性高等优点，此类孤立波超材料可以被用在许多工程应用中，包括吸振器、杂质探测器、声二极管和无损检测等领域。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种分形结构输入的孤立波超材料无损检测装置。本发明通过采用分形多弯曲腔体轨道传播的结构形式，可以在多位置处激发非线性孤立波信号，实现对同一被测物质的多次无损检测。通过多个弯曲腔体轨道汇聚同一竖直轨道特性来实现多个非线性孤立波信号对同一被测物质进行无损检测的效果，达到多非线性孤立波信号检测的目的，提高了对待测物质无损检测的效率和准确性，同时对于非线性孤立波传播特性研究具有重要意义。
4.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
5.一种分形结构输入的孤立波超材料无损检测装置，包括分形弯曲腔体轨道、竖直腔体轨道、散体颗粒群、冲击颗粒、信号采集颗粒；所述分形弯曲腔体轨道和竖直腔体轨道均是由白色树脂组成的圆管形结构；所述分形弯曲腔体轨道由若干子弯曲腔体轨道和若干母弯曲腔体轨道组成，若干所述母弯曲腔体轨道的底部共同与竖直腔体轨道的顶部相连通，每个母弯曲腔体轨道的顶部与若干子弯曲腔体轨道的底部相连通；子弯曲腔体轨道、母弯曲腔体轨道和竖直腔体轨道的内部相互连通；竖直腔体轨道的下部、每个子弯曲腔体轨道及每个母弯曲腔体轨道的轨道壁上均相对的设有两条开孔；所述弯曲腔体轨道和竖直腔体轨道内均填充有散体颗粒群，竖直腔体轨道的底部设有信号采集颗粒，信号采集颗粒内设有压电片，所述压电片通过导线和开孔与外界电路连接，每个所述子弯曲腔体轨道的顶部开孔用于冲击颗粒自由进入。
6.进一步的，分形弯曲腔体轨道和竖直腔体轨道的弹性模量为e＝2.65gpa，泊松比ν
为0.41，密度ρ为0.5kg/m3。
7.进一步的，散体颗粒群由若干直径为19mm的q235不锈钢颗粒球组成，冲击颗粒的材质、大小与散体颗粒群中的颗粒球相同。
8.进一步的，信号采集颗粒由一个圆片形压电片与两个半球颗粒组成，圆片形压电片材料为dm-5h，直径为19mm，厚度为0.3mm，两个半球颗粒均为直径18.7mm的q235不锈钢；两个半球颗粒的对接面上均粘贴有聚酰亚胺薄膜，聚酰亚胺薄膜之间粘贴有所述压电片。
9.进一步的，分形弯曲腔体轨道和竖直腔体轨道的外径为21mm，内径为19mm。
10.进一步的，所述开孔直径小于散体颗粒群中每个颗粒球的外径。
11.进一步的，分形弯曲腔体轨道中共有三个母弯曲腔体轨道和九个子弯曲腔体轨道。
12.本发明还提供一种分形结构输入的孤立波超材料无损检测装置的应用，用于在若干个位置处激发非线性孤立波信号，实现对同一被测物质的若干次无损检测。
13.与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
14.1.本发明装置通过若干弯曲腔体轨道汇聚同一竖直轨道特性来实现多个非线性孤立波信号对同一被测物质进行无损检测的效果，达到了多非线性孤立波信号检测的目的，提高了对待测物质无损检测的效率和准确性。
15.2.由于本发明装置中存在多条传播轨道，因此在多个非线性孤立波信号的激励下，装置能实现多个信号检测同一待测物质的效果。较以往弹性波超材料装置具有多信号检测的优点，可以用于需要对同一待测物质多次进行无损检测的情况。
16.3.与以往非线性孤立波信号检测装置不同的是，本发明利用多轨道结构，这样可以在多个激发的非线性孤立波信号下，实现对同一被测物质多次检测。
17.4.由于本发明输入信号轨道数量较多，如果其中一个输入信号失效，也能够进行检测，因此增强了该检测装置的抗干扰能力。
18.5.当多个信号同时激励时，可以避免单个输入情况下信号较弱的缺点，使得该装置汇总的检测信号强度明显增强，因此可以大幅提升检测信号强度，对于待检测物中小型缺陷更具有突出的辨识能力。
19.6.本发明的非线性孤立波信号无损检测装置结构形式简单，尺寸灵活，安装方便，可适用于多种环境。
附图说明
20.图1为本发明实施例提供的一种超材料装置的结构示意图。
21.图2为本发明实施例提供的装置的俯视结构示意图。
22.图3为本发明实施例提供的装有散体颗粒的装置其中一条通道的半剖视图。
23.图4为本发明实施例提供的装置多条轨道分散示意图
24.图5为本发明实施例提供的信号采集颗粒的结构示意图
25.图6为本发明实施例提供的散体颗粒群组成的匀质颗粒链示意图。
26.图7为本发明实施例提供的在子弯曲腔体轨道5顶端处激发0.313m/s的冲击颗粒时，实验过程中竖直腔体轨道1底部信号采集颗粒记录的信号响应图。
27.图8为本发明实施例提供的在子弯曲腔体轨道6顶端处激发0.313m/s的冲击颗粒
时，实验过程中竖直腔体轨道1底部信号采集颗粒记录的信号响应图。
28.图9为本发明实施例提供的在子弯曲腔体轨道7顶端处激发0.313m/s的冲击颗粒时，实验过程中竖直腔体轨道1底部信号采集颗粒记录的信号响应图。
29.图10为本发明实施例提供的在子弯曲腔体轨道8顶端处激发0.313m/s的冲击颗粒时，实验过程中竖直腔体轨道1底部信号采集颗粒记录的信号响应图。
30.图11为本发明实施例提供的在子弯曲腔体轨道9顶端处激发0.313m/s的冲击颗粒时，实验过程中竖直腔体轨道1底部信号采集颗粒记录的信号响应图。
31.图12为本发明实施例提供的在子弯曲腔体轨道10顶端处激发0.313m/s的冲击颗粒时，实验过程中竖直腔体轨道1底部信号采集颗粒记录的信号响应图。
32.图13为本发明实施例提供的在子弯曲腔体轨道11顶端处激发0.313m/s的冲击颗粒时，实验过程中竖直腔体轨道1底部信号采集颗粒记录的信号响应图。
33.图14为本发明实施例提供的在子弯曲腔体轨道12顶端处激发0.313m/s的冲击颗粒时，实验过程中竖直腔体轨道1底部信号采集颗粒记录的信号响应图。
34.图15为本发明实施例提供的在子弯曲腔体轨道13顶端处激发0.313m/s的冲击颗粒时，实验过程中竖直腔体轨道1底部信号采集颗粒记录的信号响应图。
具体实施方式
35.下面详细描述本发明的实施方式，实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
36.如图1至图5所示，本发明实施例提供了一种分形结构输入的孤立波超材料无损检测装置，包括分形弯曲腔体轨道、竖直腔体轨道1、散体颗粒群、冲击颗粒、信号采集颗粒；分形弯曲腔体轨道和竖直腔体轨道均是由白色树脂组成的圆管形结构；本实施例中分形弯曲腔体轨道由九个子弯曲腔体轨道5、6、7、8、9、10、11、12、13和三个母弯曲腔体轨道2、3、4组成，母弯曲腔体轨道2、3、4的底部共同与竖直腔体轨道1的顶部相连通，母弯曲腔体轨道2的顶部与子弯曲腔体轨道10、12、13的底部相连通；母弯曲腔体轨道3的顶部与子弯曲腔体轨道7、9、11的底部相连通；母弯曲腔体轨道4的顶部与子弯曲腔体轨道5、6、8的底部相连通；各个子弯曲腔体轨道、各个母弯曲腔体轨道均与竖直腔体轨道1的内部相互连通；竖直腔体轨道1的下部、每个子弯曲腔体轨道及每个母弯曲腔体轨道的轨道壁上均相对的设有两条窄长形的开孔；弯曲腔体轨道和竖直腔体轨道内均填充有散体颗粒群，竖直腔体轨道的底部设有信号采集颗粒，信号采集颗粒内设有压电片，压电片通过导线和开孔与外界电路连接，每个子弯曲腔体轨道的顶部开孔用于冲击颗粒自由进入。
37.本发明实施例提出了一种分形结构输入的孤立波超材料无损检测装置，由于非线性孤立波信号可以在匀质小球颗粒中稳定传播，从而实现多个非线性孤立波信号对同一被测物质进行无损检测的效果。本发明提供贯通的轨道结构使弹性波超材料达到多个激励信号多轨道传播的效果。
38.本发明实施例的分形结构输入的孤立波超材料无损检测装置所采用的方案是：在无损检测装置的子弯曲腔体轨道5、6、7、8、9、10、11、12、13的顶端上方分别释放高度为5mm的冲击小球颗粒，施加瞬时冲击激励，在竖直腔体轨道1底部信号采集颗粒接收检测激发信
号。测试在多位置处所激发的同一冲击速度得激励小球的冲击下，同一接收端的响应信号，实现对同一被测物质进行多次无损检测的目的，提高了对待测物质无损检测的效率和准确性。
39.本实施例中竖直腔体轨道1的底部不封闭，对待测物体检测时将信号采集颗粒与待测物体表面接触，通过在子弯曲腔体轨道的顶端处释放冲击颗粒小球，竖直腔体轨道底部信号采集颗粒检测非线性孤立波信号。
40.本发明实施例中分形弯曲腔体轨道和竖直腔体轨道均是由白色树脂组成的圆管形结构，弹性模量为e＝2.65gpa，泊松比ν为0.41，密度ρ为0.5kg/m3，图2为本实施例装置的俯视结构示意图，每个子弯曲腔体轨道、母弯曲腔体轨道及竖直轨道腔体的外径为21mm，内径为19mm。
41.图3为本发明实施例提供的装有散体颗粒的装置其中一条通道的半剖视图。装置内装有直径为19mm的q235不锈钢颗粒；众多不锈钢颗粒组成散体颗粒群。
42.图4为本发明实施例提供的装置中多条轨道分散状态示意图。每段弯曲腔体轨道及竖直腔体轨道的管壁上均对称开有两条沿着轨道的长度方向的窄长形开孔，开孔的宽度为10mm，方便将导线引出和调整颗粒球。
43.见图5，信号采集颗粒由圆形压电片与两个半球颗粒组成。压电片直径为19mm，厚度为3mm，嵌入两个半球之间，并用聚酰亚胺薄膜使压电片与半球颗粒进行隔离。半球颗粒直径为18.7mm，材质为q235不锈钢。半球颗粒、聚酰亚胺薄膜和压电片均通过粘贴方式相互连接，每个信号采集颗粒中的其中一个半球颗粒的对接面上设有凹槽，用于容纳导线。
44.图6为本发明实施例提供的静态预压下散体颗粒群组成的匀质颗粒链示意图，是由相同的实心颗粒小球组成的典型一维匀质球形颗粒链。颗粒球的材质为q235不锈钢球。相邻两颗粒球间接触区域的变形过程满足赫兹接触定律：
45.f＝kδ
3/2
46.式中，f代表动接触力，k代表颗粒间的接触刚度，δ代表相邻两颗粒球心的位移差。
47.其中，接触刚度k与颗粒的弹性模量、几何参数相关，其表达式为：
[0048][0049]
式中，e代表颗粒的弹性模量，υ代表动颗粒的泊松比，r代表颗粒的半径。
[0050]
在无外在冲击载荷时，第n个小球颗粒的运动方程可以描述为：
[0051][0052]
式中，m代表小球颗粒的质量；un代表第n个小球颗粒相对于初始位置的位移。
[0053]
上述实施例中涉及的分形结构输入的孤立波超材料无损检测装置的工作原理如下：
[0054]
离散颗粒模型是颗粒动力学一种常用的数值模型，被广泛应用于颗粒材料力学行为的研究。动力学分析时可将颗粒简化为质点，同时颗粒间采用非线性弹簧连接。通过计算颗粒与颗粒间相互作用的运动方程，分析颗粒材料的波动行为。当冲击颗粒撞击颗粒链而引入能量，可形成以稳定速度传播的入射非线性孤立波，信号采集颗粒记录的非线性孤立
波信号为中心处压电片形变力产生。
[0055]
图7为竖直腔体轨道1底部信号采集颗粒检测的瞬态激励信号图，在装置的子弯曲腔体轨道5顶端处释放高度为5mm的冲击颗粒小球，给颗粒链施加瞬时冲击激励以产生非线性孤立波信号，并在竖直腔体轨道1处检测系统中传播的非线性孤立波信号，此时到达信号采集颗粒的时间约为0.97ms。在上述模型中，当冲击颗粒与颗粒链中的颗粒材质大小一致时，冲击颗粒撞击颗粒链引入入射非线性孤立波，入射非线性孤立波的传播速度v可以表示为：
[0056]
v＝(16/25)
1/5
(2r)(0.682vk2/m2)
1/5
[0057]
≈1.694r(vk2/m2)
1/5
[0058]
式中，v代表非线性孤立波的入射速度，v代表冲击颗粒的撞击速度。
[0059]
图8至图15分别为在装置的子弯曲腔体轨道6至13顶端处释放高度为5mm的冲击颗粒小球时，竖直腔体轨道1底部信号采集颗粒检测的系统中传播的非线性孤立波信号响应图。冲击颗粒小球给颗粒链施加瞬时冲击激励以产生非线性孤立波信号，在同一冲击速度下，在竖直腔体轨道1检测系统中传播的非线性孤立波信号，此时到达各点处的时间均约为0.97ms。
[0060]
综上，本发明实施例的装置相比以往非线性孤立波信号检测装置，本发明采用多轨道来激发颗粒小球链中非线性孤立波的传播，通过采用多个分形多弯曲轨道传播的结构形式，使得可以通过在多位置处激发非线性孤立波信号，从而达到了对同一被测物质进行多次无损检测以及增强检测孤立波信号的目的，提高了对待测物质进行无损检测的效率和准确性。
[0061]
本发明的装置只测试了某特定瞬态冲击激励，但是通过调节冲击颗粒小球，可以实现不同初始速度的冲击颗粒所产生的非线性孤立波检测。
[0062]
本装置的整体由白色树脂通过3d打印组成。该装置的结构设计简单，易于采购装配，设计完成后非常易于操作。
[0063]
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
[0064]
以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0065]
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

技术特征：
1.一种分形结构输入的孤立波超材料无损检测装置，其特征在于，包括分形弯曲腔体轨道、竖直腔体轨道、散体颗粒群、冲击颗粒、信号采集颗粒；所述分形弯曲腔体轨道和竖直腔体轨道均是由白色树脂组成的圆管形结构；所述分形弯曲腔体轨道由若干子弯曲腔体轨道和若干母弯曲腔体轨道组成，若干所述母弯曲腔体轨道的底部共同与竖直腔体轨道的顶部相连通，每个母弯曲腔体轨道的顶部与若干子弯曲腔体轨道的底部相连通；子弯曲腔体轨道、母弯曲腔体轨道和竖直腔体轨道的内部相互连通；竖直腔体轨道的下部、每个子弯曲腔体轨道及每个母弯曲腔体轨道的轨道壁上均相对的设有两条开孔；所述弯曲腔体轨道和竖直腔体轨道内均填充有散体颗粒群，竖直腔体轨道的底部设有信号采集颗粒，信号采集颗粒内设有压电片，所述压电片通过导线和开孔与外界电路连接，每个所述子弯曲腔体轨道的顶部开孔用于冲击颗粒自由进入。2.根据权利要求1所述一种分形结构输入的孤立波超材料无损检测装置，其特征在于，分形弯曲腔体轨道和竖直腔体轨道的弹性模量为e＝2.65gpa，泊松比ν为0.41，密度ρ为0.5kg/m3。3.根据权利要求1所述一种分形结构输入的孤立波超材料无损检测装置，其特征在于，散体颗粒群由若干直径为19mm的q235不锈钢颗粒球组成，冲击颗粒的材质、大小与散体颗粒群中的颗粒球相同。4.根据权利要求1所述一种分形结构输入的孤立波超材料无损检测装置，其特征在于，信号采集颗粒由一个圆片形压电片与两个半球颗粒组成，圆片形压电片材料为dm-5h，直径为19mm，厚度为0.3mm，两个半球颗粒均为直径18.7mm的q235不锈钢；两个半球颗粒的对接面上均粘贴有聚酰亚胺薄膜，聚酰亚胺薄膜之间粘贴有所述压电片。5.根据权利要求1或2所述一种分形结构输入的孤立波超材料无损检测装置，其特征在于，分形弯曲腔体轨道和竖直腔体轨道的外径为21mm，内径为19mm。6.根据权利要求1所述一种分形结构输入的孤立波超材料无损检测装置，其特征在于，所述开孔直径小于散体颗粒群中每个颗粒球的外径。7.根据权利要求1所述一种分形结构输入的孤立波超材料无损检测装置，其特征在于，分形弯曲腔体轨道中共有三个母弯曲腔体轨道和九个子弯曲腔体轨道。8.一种分形结构输入的孤立波超材料无损检测装置的应用，其特征在于，用于在若干个位置处激发非线性孤立波信号，实现对同一被测物质的若干次无损检测。

技术总结
本发明公开一种分形结构输入的孤立波超材料无损检测装置及应用，装置包括分形弯曲腔体轨道、竖直腔体轨道、散体颗粒群、冲击颗粒、信号采集颗粒；分形弯曲腔体轨道由若干子弯曲腔体轨道和若干母弯曲腔体轨道组成，若干母弯曲腔体轨道的底部共同与竖直腔体轨道的顶部相连通，每个母弯曲腔体轨道的顶部与若干子弯曲腔体轨道的底部相连通；竖直腔体轨道的下部、每个子弯曲腔体轨道及每个母弯曲腔体轨道的轨道壁上均相对的设有两条开孔；弯曲腔体轨道和竖直腔体轨道内均填充有散体颗粒群，竖直腔体轨道的底部设有信号采集颗粒，信号采集颗粒内设有压电片，压电片通过导线和开孔与外界电路连接，每个子弯曲腔体轨道的顶部开孔用于冲击颗粒自由进入。冲击颗粒自由进入。冲击颗粒自由进入。


技术研发人员：王毅泽 陆琦
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2022.02.17
技术公布日：2022/5/25