УСТРОЙСТВО ТЕСТИРОВАНИЯ СПОРТИВНЫХ ПОКРЫТИЙ
SPORTS FLOORING TESTING DEVICE

Изобретение относится к виброизмерительной технике и может быть использовано при подготовке команд высших спортивных достижений в легкой атлетике.
Необходимость тестирования напольных покрытий обусловлена тем, что на современных спортивных сооружениях - теннисных кортах, беговых дорожках, дорожках для разбега прыгунов в длину, высоту, тройном прыжке - уложены специальные покрытия, представляющие собой виброизолирующий материал с распределенными параметрами. Спортивный результат зависит как от потенциальных возможностей спортсмена, так и от сочетания упругих характеристик спортивной экипировки и качества покрытий. Например, при прыжках в высоту при различных климатических условиях используемых покрытий результат может отличаться от рекорда на несколько "см". Одним из важнейших параметров упругой системы является ее амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). Испытания изделий и измерения их АЧХ проводят, как правило, в лабораторных условиях на вибростендах. Часто возникает необходимость таких измерений непосредственно в местах расположения изделий. Ведущей фирмой в области виброизмерений является фирма "Брюль и Къер", Дания.
Известна конфигурация оборудования многофункциональной системы анализа АЧХ - PULSE 3560 [см., например, http://www.bk.dk. "Определение модальных параметров простых конструкций с использованием анализатора PULSE", статья, Свенд Гейд и др., рис.1 - аналог].
Конфигурация оборудования содержит: ударный молоток, перемещаемый вдоль конструкции к каждой измеряемой точке, мини-вибратор 4810, динамометрический преобразователь 8200, генератор случайного сигнала, силовой усилитель 2706, акселерометр, многофункциональную систему анализа на базе персонального компьютера.
Недостатками известного аналога являются:
- невозможность непосредственного применения для тестирования спортивных покрытий;
- искажение формы сигнала тестирования при установке акселерометра на покрытие из-за демпфирования удара покрытием;
- отсутствие связи параметров ударного молотка с размерами пучковой части стопы спортсмена.
Известны системы для измерения механического удара [см. "Приборы и системы для измерения вибрации, шума и удара". Справочник, кн. 2, под редакцией В.В.Клюева, М.: Машиностроение, 1978 г., с.239-240, рис.32 - ближайший аналог].
Структурная схема для измерения и частотного анализа механического удара ближайшего аналога содержит вибропреобразователь - акселерометр, предусилитель, измерительный магнитофон, цифровое записывающее устройство, гетеродинный анализатор, самописец уровня.
Недостатками аналога являются:
- невозможность непосредственного использования, поскольку акселерометр не может устанавливаться непосредственно на напольное покрытие, которое за счет демпфирования удара вносит большие искажения в измеряемый процесс;
- отсутствует система внешнего возбуждения покрытия, без которой измерения невозможны;
- морально устаревшая техническая база.
Задача, решаемая заявляемым устройством, состоит в реализации оперативного измерения параметров спортивного покрытия в естественных условиях, непосредственно перед соревнованием, на месте их укладки.
Технический результат достигается тем, что устройство тестирования спортивных покрытий содержит возбуждающий элемент в составе сменной инерционной массы, закрепляемой на скамейке с четырьмя ножками, установленной на покрытие с суммарной площадью контакта 4 ножек с покрытием, равной площади пучковой части стопы спортсмена, набора баскетбольных мячей разной упругости, поочередно сбрасываемых на скамейку, и измеритель в составе последовательно подключенных пьезоакселерометра, жестко закрепленного на скамейке, усилителя заряда из активных фильтров верхних и нижних частот, аналого-цифрового преобразователя, флеш-памяти и ноутбука с программным обеспечением для расчета спектра Фурье регистрируемого сигнала.
Изобретение поясняется чертежами, где:
фиг.1 - функциональная схема устройства;
фиг.2 - зависимость длительности возбуждающих импульсов упругого удара мяча о скамейку от степени накачки мяча;
фиг.3 - измеренные резонансные спектры АЧХ тестируемых покрытий;
фиг.4 - передаточная функция спортивных покрытий.
Устройство тестирования спортивных покрытий (фиг.1) содержит тестируемое покрытие 1, возбуждающий элемент 2 в составе скамейки 3, установленной на покрытие с площадью контакта ножек 4 скамейки с покрытием, равной площади пучковой части стопы спортсмена, сменной инерционной массы 5, закрепляемой на скамейке, набора баскетбольных мячей 6 разной упругости накачки, сбрасываемых на скамейку, измеритель 7 в составе последовательно подключенных пьезоакселерометра 8, закрепленного на скамейке, усилителя заряда 9 из активных фильтров 10, 11 верхних и нижних частот, аналого-цифрового преобразователя 12, флеш-памяти 13, ноутбука 14.
Динамика взаимодействия элементов устройства и техническая сущность измерений состоят в следующем.
Протестировать спортивное покрытие - это значит измерить АЧХ системы "покрытие (виброизолятор) - масса спортсмена" с выделением модальных (резонансных) частот.
0
Известна зависимость собственной частоты (ω) вибросистемы от массы (m) нагружения и жесткости (с) виброизолятора, см., например, Справочник, т.6, "Вибрация в технике", под ред. К.В.Фролова, М.: Машиностроение, 1981 г., с.172, формула 2:
Жесткость плоского виброизолятора задается формулой:
2
где Е - модуль упругости первого рода, для синтетического материала покрытия Е≈4,5·105 Н/м, S - площадь виброизолятора, h - толщина покрытия. Если принять площадь виброизолятора S (const) равной площади пучковой части стопы спортсмена (при прыжке, отталкивании с носка), то резонансные свойства вибросистемы (при гостированной толщине покрытия h) полностью определяются модулем упругости покрытия Е. Все покрытия выполняются из синтетического материала на основе резины, а упругие свойства резины существенно зависят от климатических условий. При низких температурах резина выкрашивается и теряет свои упругие свойства. В то же время синтетический материал сохраняет свои упругие свойства до - 60°С, но количественная величина модуля упругости может изменяться на порядок при изменении климатических условий. Для определения резонансных частот необходимо изменять частоту возбуждения. В качестве возбуждающего элемента 2 в устройстве служит система из баскетбольных мячей 6 разной степени накачки и скамейка 3 с инерционной массой, установленной на покрытие. Разная степень накачки баскетбольных мячей при их сбрасывании с некоторой высоты на скамейку дает разное время их соприкосновения со скамейкой - от слишком короткого до продолжительного. Этим имитируется изменение частоты возбуждающего источника. Зависимость длительности возбуждающих импульсов удара мяча о скамейку от степени накачки мяча иллюстрируется фиг.2. Изменение веса спортсмена имитируется изменением инерционной массы 5, закрепляемой на скамейке.
Если покрытие имеет высокое качество (добротность Q≥1,5) то под действием возбуждающих импульсов возникает колебательный процесс системы "покрытие - инерционная масса". Преобразование колебательного процесса в электрический сигнал осуществляют посредством пьезокерамического акселерометра 8. Для неискаженного воспроизведения формы электрического сигнала рекомендуют [см., например, "Пьезоэлектрические датчики", под ред. В.М.Назарова, М.: Техносфера. - 2006 г., рис.13.11] использовать эквивалентную схему с источником заряда и последующим усилителем заряда 9. Одновременно для неискаженного воспроизведения формы сигнала пьезоакселерометра в электронной схеме используют активные фильтры верхних и нижних частот 10, 11. Обработку результатов измерений осуществляют посредством вычислительных средств с использованием специализированного программного обеспечения ПЭВМ. Для чего функцию сигнала преобразуют в цифровую форму посредством аналого-цифрового преобразователя 12. Оцифрованные массивы измерений записывают в запоминающее устройство флеш-память 13.
Электрический сигнал измеряемого процесса содержит всю информацию о параметрах покрытия. Для извлечения этой информации из функции сигнала программным методом рассчитывают АЧХ зарегистрированной функции путем разложения ее в ряд Фурье в соответствии с зависимостью:
Программа прямого преобразования Фурье входит в комплект специализированного математического обеспечения MATHCAD [см., например, MATHCAD 6.0 PLUS, изд. 2-е, M.: Информиздат. дом "Филинъ", 1997. - С.412]. Результат программного расчета АЧХ и выявление резонансных спектров иллюстрируется фиг.3 (распечатка с экрана ноутбука 14). После выявления резонансных частот определяют качество спортивного покрытия.
0
Добротность (качество) покрытия можно определить по резонансной характеристике вибросистемы Δω/ω=1/Q, где Q - добротность (качество) энергоемкого элемента [см., например, "Справочник по радиоэлектронике", под редакцией А.А.Куликовского, т.2, M.: Энергия. - 1968 г. - с.34.].
Измеренные параметры протестированных спортивных покрытий представлены табл.1.
Тип покрытия
Температура воздуха, °С
Влажность, %
Резонансная частота, Гц
Ширина полосы на уровне 0,5 max
Добротность изделия
Conipur SP (на основе резиновой крошки "тэ-пинг")
27
47
19
5
~4
Conipur SW (на основе резиновой крошки "тэпинг")
27
47
23
4
~6
Эффективность спортивного покрытия характеризуется коэффициентом передачи. По определению [см., например, справочник "Вибрация в технике", т.6, под ред. К.В.Фролова, M.: Машиностроение. - 1981 г. - С.175, рис.4] коэффициент передачи вибросистемы представляет собой отношение абсолютных ускорений объекта и источника:
где ν - коэффициент демпфирования, равный ν=1/2Q;
Q - качество энергоемкого элемента;
0
z - отношение частоты кинематического возбуждения (ω) к собственной частоте вибросистемы (ω).
На фиг.4 иллюстрируется зависимость коэффициента передачи покрытия в диапазоне частот толчкового импульса спортсмена. Для достижения высокого спортивного результата собственная резонансная частота покрытия должна выбираться выше максимальной частоты спектра толчкового импульса спортсмена.
Элементы устройства выполнены на существующей технической базе и по известным электронным схемам. Пьезокерамический акселерометр фирмы Bruel & Kjer тип 861 285, частотный диапазон 0,5…5000 Гц, перегрузка 50 g, вес 70 г.
Активные фильтры верхних и нижних частот выполнены на операционных усилителях типа К1446УД5Р по электронной схеме, см., например, Ж. Марше, пер. с фр., "Операционные усилители и их применение", §8.3 "Активные фильтры на базе усилителей с обратной связью". Л.: Энергия. - 1974 г. - С.190-194.
Аналого-цифровой преобразователь и флеш-память реализованы на многофункциональном блоке модуль 3560-L, фирма Bruel & Kjer.
Управляющая ПЭВМ типа "Notebook" фирмы Samsung модель RC510.
Эффективность устройства характеризуется оперативностью и достоверностью контроля параметров спортивных покрытий в естественных условиях, в месте их укладки, непосредственно перед соревнованиями.