[發明專利]一種可實時監測落石運動軌跡的物理模型試驗系統與方法

在審

• 申請號: 202210604939.3
• 申請日: 2022-05-31
• 公開（公告）號: CN115015941A
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 繆明昊;唐輝明;魯莎;谷一嘯;王倩蕓;唐春燕;陶征濤
• 申請（專利權）人: 中國地質大學（武漢）
• 主分類號: G01S15/58
• 分類號: G01S15/58;G01S15/06;G01S15/87;G01S15/88;G01S7/54;G09B23/10
• 代理公司: 武漢知產時代知識產權代理有限公司 42238
• 代理人: 胡青

1.一種可實時監測落石運動軌跡的物理模型試驗系統，其特征在于，包括落石模型、邊坡模型、落石夾持裝置、固定布置在所述落石模型表面的四個不共面的目標標識聲吶單元、長方體框架、固定在所述長方體框架的不同角上的八個聲吶發射接收單元和分析儀；所述落石模型采用吸聲材料制作并且密度分布均勻；所述邊坡模型用于形成坡面并且至少部分位于所述長方體框架內；所述落石夾持裝置用于將所述落石模型固定于所述坡面的上方或釋放所述落石模型，所述落石模型被固定時位于所述長方體框架內；所述分析儀用于控制所述八個聲吶發射接收單元間隔地同時發射聲吶信號，四個所述目標標識聲吶單元用于在接收到面向所述目標標識聲吶單元的聲吶發射接收單元所發射的聲吶信號后發射聲吶信號，四個所述目標標識聲吶單元發射聲吶信號的頻率不同，所述分析儀還用于根據所述八個聲吶發射接收單元接收到面向所述聲吶發射接收單元的目標標識聲吶單元所發射的聲吶信號與所述八個聲吶發射接收單元發射聲吶信號之間的時間差，計算得到四個所述目標標識聲吶單元的三維坐標和所述落石模型的重心的三維坐標隨時間的變化。

2.如權利要求1所述的物理模型試驗系統，其特征在于：所述落石模型和所述邊坡模型的材質為多層復合聚乳酸型材料。

3.如權利要求2所述的物理模型試驗系統，其特征在于：所述落石模型和所述邊坡模型采用3D打印制作。

4.如權利要求1所述的物理模型試驗系統，其特征在于：所述落石夾持裝置包括支架和設置在所述支架上的機械手臂夾，所述機械手臂夾用于固定于或釋放所述落石模型。

5.如權利要求1所述的物理模型試驗系統，其特征在于：所述分析儀包括系統控制單元和數據處理單元，所述系統控制單元用于控制所述八個聲吶發射接收單元間隔地同時發射聲吶信號，所述數據處理單元用于根據所述八個聲吶發射接收單元接收到不同頻率的反射聲吶信號與所述八個聲吶發射接收單元發射聲吶信號之間的時間差，計算得到四個所述目標標識聲吶單元的三維坐標和所述落石模型的重心的三維坐標隨時間的變化。

6.如權利要求5所述的物理模型試驗系統，其特征在于：所述分析儀還包括顯示單元，所述顯示單元用于對根據四個所述目標標識聲吶單元的三維坐標和所述落石模型的重心的三維坐標隨時間的變化對所述落石模型的運動軌跡進行可視化顯示。

7.一種如權利要求1-6中任一項所述可實時監測落石運動軌跡的物理模型試驗系統的試驗方法，其特征在于，包括如下步驟：

將所述落石模型固定于所述落石夾持裝置上，建立三維直角坐標系，確定所述落石模型重心的初始三維坐標；

所述分析儀控制所述八個聲吶發射接收單元同時發射聲吶信號，四個所述目標標識聲吶單元在接收到面向所述目標標識聲吶單元的聲吶發射接收單元所發射的聲吶信號后發射聲吶信號，所述分析儀根據所述八個聲吶發射接收單元接收到面向所述聲吶發射接收單元的目標標識聲吶單元所發射的聲吶信號與所述八個聲吶發射接收單元發射聲吶信號之間的時間差，計算得到四個所述目標標識聲吶單元的初始三維坐標；根據所述落石模型重心的初始三維坐標和四個所述目標標識聲吶單元的初始三維坐標計算得到所述落石模型重心分別到四個所述目標標識聲吶單元的距離；

所述落石夾持裝置松開所述落石模型，所述落石模型落到所述邊坡模型的坡面上進行運動；

所述分析儀控制所述八個聲吶發射接收單元間隔地同時發射聲吶信號，四個所述目標標識聲吶單元在接收到面向所述目標標識聲吶單元的聲吶發射接收單元所發射的聲吶信號后發射聲吶信號，所述分析儀根據所述八個聲吶發射接收單元接收到面向所述聲吶發射接收單元的目標標識聲吶單元所發射的聲吶信號與所述八個聲吶發射接收單元發射聲吶信號之間的時間差，計算得到四個所述目標標識聲吶單元不同時刻的三維坐標；根據所述落石模型重心分別到四個所述目標標識聲吶單元的距離以及四個所述目標標識聲吶單元不同時刻的三維坐標，計算得到所述落石模型重心不同時刻的三維坐標。

8.如權利要求7所述的試驗方法，其特征在于：所述分析儀根據四個所述目標標識聲吶單元的三維坐標和所述落石模型的重心的三維坐標隨時間的變化對所述落石模型的運動軌跡進行可視化顯示。