艦用動爆沖擊波記錄系統的設計與應用＊

丁永紅，尤文斌，馬鐵華

（1.中北大學信息與通信工程學院，山西 太原030051；2.中北大學電子測試技術重點實驗室，山西 太原030051）

艦艇抗爆抗沖擊能力作為艦艇生命力最重要的技術指標，直接影響艦艇海上作戰能力［1－3］。作用于戰艦的突發沖擊主要有3種：導彈、魚雷直接作用爆炸，魚雷和水雷等非接觸的水下爆炸沖擊波，發射導彈的反向沖擊。這些沖擊都可能對船體、艦載裝備等造成損傷。艦船毀傷主要由爆炸沖擊波造成，因此掌握爆炸沖擊對艦船結構的破壞作用，可對艦船抗爆炸沖擊的設計提供幫助［4］。受費用與實驗條件限制，實彈動爆船體沖擊波測量的報道很少。目前研究多采用有限元數值法，許多高瞬態非線性有限元分析程序（如ABAQUS、ADINA、DYTRAN 等）得到了廣泛應用［5］。

本文中，采用抗惡劣環境的存儲測試技術［6－7］，將探測頭安裝在艦艇的不同位置，實時記錄沖擊波信號，并在船頭集中安裝備份單元記錄每一個測點發送的數據。測試完畢后回收探測頭和備份單元，將記錄數據上傳到上位機，為后續的數據分析與研究提供依據。

1 系統總體設計

艦艇在動爆完成后可能沉沒，難以回收測點記錄儀，因此本測試系統中測點采用存儲模式記錄沖擊波，同時在船頭甲板集中備份存儲。系統框圖如圖1所示，由安裝在測試點的探測頭、遠端備份模塊、控制單元模塊、傳輸數據的光纖等組成。探測頭可以實時采集、存儲測試點的壓力信號，同時將采集轉換后的數字信號先進行串行化處理、光電轉換，后經光纖傳輸給遠端的備份模塊存儲。存儲電路在控制單元的作用下，使存儲采集電路在觸發前循環記錄，存儲器中始終保持最新的2 MB的數據。觸發信號到來后，順序記錄8 MB 的數據。為了使各個測試點的零時刻具有統一的標準，控制單元的觸發信號同時作用于各個測試點的探測頭。

探測頭的外殼為圓柱形鋼制殼體，除可承受較大爆炸沖擊作用外，還可對測量電路進行電磁屏蔽，從而大大減少外界環境干擾，增加了測量的可靠性。采集存儲電路與外界連接的光纖接頭、航空接頭布置在鄰近的外殼里，采用柔性材料固定，起到減振、屏蔽的作用，如圖2所示。

圖1 系統總體框圖Fig.1 Block diagram of the system

圖2 探測頭結構布局圖Fig.2Structure layout of the detection head

2 電路設計

2.1 探測頭單元設計

探測頭的結構框圖如圖3所示，由壓力傳感器、適配電路、A／D 轉換器、CPLD、單片機、Flash存儲器、光電轉換接口組成。

沖擊波是爆炸時氣體快速膨脹形成的，具有速度快、持續時間短的特點。壓電型壓力傳感器的頻率響應高，能滿足沖擊波測量的要求，本方案采用8052C 壓電型傳感器。傳感器輸出的電荷信號在輸出端就近轉換成電壓信號，避免電荷信號經導線傳輸引入的干擾。A／D 轉換得到的數字信號經編碼單元后分成2路，一路經控制單元存儲到Flash中，另一路經電光轉換后傳輸給備份存儲單元。

圖3 探測頭工作原理框圖Fig.3 Work principle block diagram of the detection head

2.2 觸發控制單元設計

觸發控制單元由探測頭觸發控制與集總控制單元2部分組成，如圖4所示。探測頭能接收集總控制單元發送的觸發記錄信號，同時探測頭將測試信號與設定的電平比較得到的內觸發信號發送給控制單元。集總控制單元通過檢測探測頭的觸發信號、斷線觸發電纜狀態和傳輸觸發信號線通斷作為判斷觸發是否到來的依據。當所有探測頭中大于等于3個輸出的內觸發有效，或大于等于3路觸發信號傳輸線斷開，或斷線觸發控制連線斷開，并同時經3次檢測連續有效，控制單元輸出觸發信號觸發所有探測頭及備份模塊。探測頭將內外觸發信息通過編碼和壓力數據同時存儲，回讀數據后就能確定探測頭的觸發源，并通過內外觸發的時間差修正時間零點，測試系統由此確定了統一的時間基準。

圖4 觸發控制單元結構原理框圖Fig.4 Functional block diagram of the trigger and control units

2.3 存儲電路

NAND flash作為存儲介質已廣泛應用于存儲測試，但由于自身按頁讀寫和塊擦除的結構特性，決定了單片存儲器不能高速連續寫入數據［8］。為此，在頁編程時采用FIFO 作為數據緩沖，完成以Flash作為存儲介質的連續數據寫入。采用恒定采樣速率、抽點存儲的采樣控制策略，實現長時間記錄和有效數據的高速存儲。沖擊波信號在未到來之前，對A／D 轉換的數據采用抽點存儲；信號到來時變為逐點完全存儲，在保證有效數據容量大大壓縮的情況下，觸發前的瞬變數據在FIFO 中得以完整保存。實現的數據流結構如圖5所示，控制模擬時序如圖6所示。圖中rclk為FIFO 的讀時鐘，上升沿數據從FIFO 中輸出；wclk為flash寫時鐘，上升沿數據寫入flash；trg為0時，從FIFO 中讀取多個數據，抽取一個進行存儲，反之進行逐點存儲。

圖5 數據流程圖Fig.5 Data flow diagram

圖6 時序圖Fig.6Sequence diagram

3 沖擊波記錄系統激波管動態校準

3.1 激波管動態校準方法

傳感器與測試記錄電路連接后，其動態特性會發生變化，為獲取整體的動態特性，利用激波管對探測頭進行了動態特性測試。艦船動爆沖擊波場測試中需要使用多個沖擊波記錄探測頭，本文中只列舉其中一個量程為10 MPa的進行動態校準。

如圖7所示，激波管［9］是一根內壁光滑兩端封閉的直管，中間以一膜片隔開。左端充以高壓氣體，形成高壓室；右端不充氣或充以較低壓力的氣體，形成低壓室。在低壓室的右端側壁上裝了2個用于測定激波速度的壓力傳感器，這2個傳感器中心之間的距離為s＝0.55 m。被校測試系統安裝在低壓室端面。

圖7 激波管實驗原理示意圖Fig.7 Experiment principle diagram of the shock tube

校準時，在高壓室中充壓縮氣體，當氣體壓強超過膜片強度極限時膜片突然破裂。這時一個平面沖擊波沿低壓室方向傳播，通過2個測速系統的壓力上升沿，就可得到時間間隔Δt，利用Δt 可求得激波速度

從而求得激波的馬赫數

由Ma 可計算得到反射激波超壓Δp5和高壓室壓力值p4，

式中：p1為低壓室氣體初始壓力，MPa。

3.2 動態校準實驗結果

將激波管作為激勵源，對所設計沖擊波記錄儀進行動態標定，為了使反射波超壓Δp5平臺較平，激波速度（以馬赫數Ma 表示）控制在1.3左右；為了提高反射波超壓Δp5的幅度并保持較小馬赫數，當Ma＝1.3時，由式（3）～（4）可知，Δp5／p1≈2.1，p4／p1≈3.4，根據這2個關系和所選擇的膜片對高、低壓室充氣到所希望的值。標定實驗共進行了3次，獲得的典型標定曲線及其幅頻、相頻曲線如圖8所示。標定結果如表1所示，表中p′4為激波管高壓室氣體壓力值，p′為沖擊記錄系統測得的壓力值。通過測量激波響應的超調算出其二階系統阻尼比為0.042，由振蕩周期和阻尼比得到其自然振蕩頻率為827 500rad／s。由頻率特性圖可以看出，測量系統在100kHz內增益穩定、相位差較小，滿足沖擊波測量的要求。

由表1可知，3次動態標定實驗的系統誤差均小于5%，說明測試系統是穩定可靠的，能夠保證實驗的準確性。

圖8 標定曲線及其幅頻、相頻特性Fig.8 Calibration curve and amplitude－frequency，phase－frequency characteristics

表1 動態標定結果Table 1 Dynamic calibration results

4 船艙實驗測試

為了評估導彈對船艙的毀傷效果，靶艦為報廢油輪，將記錄系統安裝在船艙內的不同位置。以布置在油艙內的測試裝置為例介紹，該油艙長10.4 m、寬1.8 m、高5 m。導彈爆炸位置在輪機艙，探測頭布置在油艙內距離底甲板1.5 m，距離輪機艙與油艙壁5.6 m 處。在艙內實施動爆時，大馬赫數的動爆沖擊波遇剛性壁面反射，形成多次反射，峰值越大，反射后壓強增長的比例越大，獲得的壓力曲線如圖9所示。

圖9 實測曲線Fig.9 Measured curve

5 結 論

（1）設計了一種具有測點存儲記錄、光纖實時傳輸、遠端集總備份存儲的分布式艦用動爆沖擊波記錄系統；

（2）利用激波管對艦用動爆沖擊波記錄系統進行了動態校準，系統誤差均小于5%；

（3）在現場測試中，該系統成功地獲取了沖擊波壓力數據，為后續的數據分析與艦船抗爆抗沖擊設計的研究提供了依據。

［1］ 汪玉，華宏星.艦船現代沖擊理論及應用［M］.北京：科學出版社，2005.

［2］ 宮國田，金輝，張姝紅，等.國外艦艇抗水下爆炸研究進展［J］.兵工學報，2010，31（1）：293－298.Gong Guo－tian，Jin Hui，Zhang Shu－hong，et al.The advance of anti－explosion capability of foreign naval ships［J］.Acta Armamentarii，2010，31（1）：293－298.

［3］ 彭興寧，聶武，嚴波.爆炸載荷作用下艦船防護艙壁的薄膜效應研究［J］.船舶力學，2007，11（5）：744－751.Peng Xing－ning，Nie Wu，Yan Bo.Analysis of membrane effect of surface warship’s protective bulkhead subjected to blast loading［J］.Journal of Ship Mechanics，2007，11（5）：744－751.

［4］ Tong Zong－peng，Wang Yu，Li Yu－jie.Characteristic of new type shock protective layer subjected to underwater explosion［J］.Journal of Ship Mechanics，2007，11（6）：924－932.

［5］ 梅志遠，朱錫，劉潤泉.船用加筋板架爆炸載荷下動態響應數值分析［J］.爆炸與沖擊，2004，24（1）：80－84.Mei Zhi－yuan，Zhu Xi，Liu Run－quan.Dynamic response researches of ship’s stiffened plate structure under explosive load［J］.Explosion and Shock Waves，2004，24（1）：80－84.

［6］ 祖靜，申湘南，張文棟.存儲測試技術［J］.測試技術學報，1994，8（2）：25－30.Zu Jing，Shen Xiang－nan，Zhang Wen－dong.Memorized testing and measurement technology［J］.Journal of Test and Measurement Technique，1994，8（2）：25－30.

［7］ 馬鐵華，祖靜.沖擊波超壓存儲測試技術研究［J］.儀器儀表學報，2004，25（4）：134－135.Ma Tie－hua，Zu Jing.Memorized testing and measurement technology for shock wave overpressure［J］.Chinese Journal of Scientific Instrument，2004，25（4）：134－135.

［8］ 余輝龍，何昕，魏仲慧，等.應用NAND 型閃存的高速大容量圖像存儲器［J］.光學精密工程，2009，17（10）：2548－2554.Yu Hui－long，He Xin，Wei Zhong－hui，et al.High speed and high capacity image recorder based on NAND flash［J］.Optics and Precision Engineering，2009，17（10）：2548－2554.

［9］ 陸宏年，鄭兆瑞.信號與測試系統［M］.北京：國防工業出版社，1988：265－269.