中低頻沖擊響應譜測量技術綜述

曾澤璀， 閆　明， 趙鵬鐸， 張　磊

(1.沈陽工業(yè)大學 機械工程學院, 遼寧 沈陽 110870；2.海軍裝備研究院， 北京 100073)

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中低頻沖擊響應譜測量技術綜述

曾澤璀1， 閆明1， 趙鵬鐸2， 張磊2

(1.沈陽工業(yè)大學 機械工程學院, 遼寧 沈陽 110870；2.海軍裝備研究院， 北京 100073)

實戰(zhàn)中海軍艦艇的抗沖擊能力是極其重要的作戰(zhàn)性能指標，而沖擊響應譜則是設計爆炸沖擊防護的基礎，完整正確的沖擊響應譜對分析受沖擊系統(tǒng)的本身特性有著十分重要的作用，能夠暴露出海軍艦艇在材料結構和工藝方面的缺陷。為了進一步保證在低頻區(qū)域沖擊響應譜測量值的準確性，從而更好判斷艦艇設備的抗沖擊性能，系統(tǒng)梳理了中低頻沖擊譜測量研究的研究現狀、問題對策和發(fā)展前景。首先對傳感器測量中低頻沖擊譜時存在問題及解決方法進行綜述；并對新型加速度計結構及原理進行分析；同時對低頻沖擊譜傳統(tǒng)測量儀器的改進結構及測量方法進行闡述；最后對目前中低頻沖擊譜測量技術進行總結并展望未來。

沖擊響應譜沖擊系統(tǒng)測量值新型加速度計

0　前言

在國際競爭中，豐富的海洋資源造成各種錯綜復雜的利益關系，海上局部沖突也異常的頻繁，大規(guī)模海戰(zhàn)也發(fā)生多次，比如1967年的第三次中東海戰(zhàn)，1982年的英阿馬海戰(zhàn)以及歷時8年的兩伊戰(zhàn)爭期間的海上沖突等[1]。海戰(zhàn)中艦艇不可避免會遭受水雷、深水炸彈等反艦武器的接觸或非接觸爆炸攻擊。隨著精確制導技術的發(fā)展，使武器命中率顯著提高，毀傷能力不斷增強，艦艇的沖擊環(huán)境更為惡劣。艦載設備是艦艇抗沖擊能力的薄弱環(huán)節(jié)，其抗沖擊性能的高低，直接影響到艦艇的作戰(zhàn)效能。實戰(zhàn)中海軍艦艇的抗沖擊能力是極其重要的作戰(zhàn)性能指標，而沖擊響應譜則是設計爆炸沖擊防護的基礎[2]。

n個單自由度的無阻尼的質量系統(tǒng)在施加特定沖擊的條件下，測出這些質量的最大響應并繪制成圖形?？梢钥闯觯承┵|量的響應很大，某些則很小。把每個諧振頻率上的最大響應標注出來，就可以得出一個譜，這個譜就稱為在這個特定沖擊下的沖擊響應譜。

完整正確的沖擊響應譜對分析受沖擊系統(tǒng)的本身特性有著十分重要的作用，能夠暴露出海軍艦艇在材料結構和工藝方面的缺陷[3]。沖擊譜分為低頻、中頻和高頻三個頻段?，F階段中頻和高頻范圍內的沖擊響應譜的測量技術已經十分成熟，但低頻段沖擊響應譜的測量精度還有待提高。

本文的目的在于從多個角度，對國內外有關中低頻沖擊譜測量的研究現狀和成果進行梳理和介紹，從而為以后開展更為深入的研究提供借鑒與參考。

1　加速度計頻率特性擴展

在沖擊響應譜的測量中，壓電晶體加速度傳感器是最常用的傳感器，其具有重量輕、體積小、測量頻域范圍寬等優(yōu)點。在測量結構的加速度時，壓電晶體加速度傳感器可以正常使用。但是，當壓電晶體加速度傳感器用于測量受到強沖擊載荷作用的結構加速度時，特別是測量像鋼的相互碰擊、爆炸等強沖擊輸入負荷時，其測量加速度曲線在低頻段往往有零漂。沖擊譜是一種連續(xù)譜，其頻率范圍從零到無窮大，所以用壓電加速度傳感器測量沖擊運動，將不可避免地會產生誤差，這種誤差稱為頻率誤差[4-5]。

在沖擊響應譜的測量中，零漂是指在強沖擊響應測量中，當外加瞬態(tài)加速度消失后，壓電晶體加速度傳感器的輸出不返回到零值，而仍有一直流輸出。引起零漂的原因是多方面的，零漂的機理很復雜，解釋也有各種各樣。比較合理的解釋是壓電晶片在受到較大的壓力后，盡管壓力已經消失，但晶體內部仍有殘余應力存在，因此還會有一個輸出訊號。有零漂的加速度信號其幅值分散度很大。一旦信號含有零漂成分，則低頻段的沖擊譜測量值要比實際值大一、二個數量級，從而導致錯誤的加速度信號。

1.1機械濾波器

只有解決壓電晶體加速度計在強沖擊作用下產生的零漂現象，才能在沖擊測量中獲得完整準確的加速度時域曲線，從而繪制出完整準確的沖擊響應譜。傳統(tǒng)的機械濾波器由底座、安裝塊和彈性阻尼材料三部分組成，如圖1所示。它實質上是安裝在沖擊輸入物體和加速度計之間能有效地組織高頻加速度分量傳給加速度計的“緩沖器”[6]。

1981年，我國在進行實船水下爆炸試驗時使用了由丹麥B&K公司生產的UA0059型機械濾波器，結構如圖2所示[7]。通過本次試驗證明加裝機械濾波器可以過濾復雜沖擊載荷在設備基礎位置產生的高頻大幅值加速度信號，從而減少零漂現象。但是，UA0059型機械濾波器由于自身的結構特點，使得其抗拉強度低，橫向剛度高。在強橫向沖擊下，加速度計會發(fā)生橫向轉動，從而影響垂向精度。陳輝等人提出一種新型機械濾波器，其結構原理如圖3所示。壓電晶體傳感器設置在外罩與下夾片之間，中間墊橡皮作為彈性元件。垂直方向上的橡皮剛度可以通過調整橡皮的初始壓縮量來改變。水平方向不受任何約束，因此水平方向的剛度可以遠小于垂直方向的剛度。這種新型機械濾波器在結構上既保證壓縮強度又保證拉伸強度。由于取消傳感器與濾波器之間的螺紋連接方式，因此該濾波器的使用范圍比較廣泛。同時，利用多項式函數修正和Hilbert-Huang變換對加速度數據進行后處理，也有利于減少零漂現象[8]。

圖1　機械濾波器結構簡圖

圖2　UA0059型機械濾波器結構示意圖

圖3　新型夾緊式機械濾波器結構示意圖

為了驗證新型機械濾波器是否能較好地改善加速度計在受強沖擊后出現的零漂現象，在實驗室內和野外試驗現場對不同型號的壓電晶體加速度傳感器分別作了試驗，并對試驗結果進行對比分析。對三個國家5種型號的加速度計的試驗對比，分析結果表明，在壓電晶體加速度傳感器上安裝新型機械濾波器進行沖擊測量，可以較好地改善加速度計的零漂現象。

1.2速度型拾振器低頻特性拓展

隨著大型工程設備的出現，超低頻和大振幅的工程振動測量成為了現代工程領域一個重要的工程問題。壓電晶體加速度計可以準確地測量高頻段的加速度時間歷程曲線，對低頻段的測量需要采用其他測量儀器，如普通式低頻位移擺速度傳感器和伺服式加速度計。但是普通式低頻位移擺速度傳感器體積大，彈性元件易損，擺平衡位置和擺自振周期受溫度影響大，對實驗環(huán)境要求較高；伺服式加速度計雖然能測量零頻，但其加速度分量小，加速度曲線對時間進行二次積分后獲得的位移曲線，影響測量精度。因此設計出一種適應復雜環(huán)境的低頻振動速度及位移傳感器十分重要。

無源伺服技術通過增加拾振器系統(tǒng)的質量來降低系統(tǒng)固有頻率，從而拓展低頻測量范圍。而有源伺服技術通過改變拾振器系統(tǒng)的質量，來調節(jié)系統(tǒng)阻尼，從而可以測量大幅度振動。利用閉環(huán)極點補償技術可以方便地抵消拾振器原機械系統(tǒng)的傳遞函數，從而建立新的傳遞函數，達到拓展拾振器低頻特性和擴大測量量程的目的[9-11]。

2　新型中低頻沖擊譜測量機構

壓電晶體加速度計可以準確地測量高頻段的加速度時間歷程曲線，而針對低頻段，在傳統(tǒng)沖擊響應譜測量方法中通常采用一些專業(yè)沖擊譜測量儀器來準確測量低頻譜響應值，如簧片儀和低頻振子?；善瑑x為一組自由端部帶集中質量的懸臂梁，懸臂梁固定端在沖擊載荷作用下，通過記錄懸臂梁自由端集中質量與基礎之間的相對運動參數，并對其信號濾波后進行等效計算獲得沖擊響應值。而低頻振子由一系列不同固有頻率的彈簧-質量塊系統(tǒng)組成，彈簧固定端在沖擊作用下通過測量質量塊響應值獲得低頻沖擊譜測量值。

2.1大負荷低中頻三向簧片儀

傳統(tǒng)簧片儀測量頻率范圍主要為5 Hz～10 Hz。當其固有頻率小于5 Hz時，懸臂式簧片儀由于自由端發(fā)生較大位移后，固定端會發(fā)生應力集中，容易造成其失穩(wěn)，而且也會使測量值嚴重失真，甚至簧片根部產生塑性變形導致儀器失效。因此，在強沖擊載荷作用下，如何確?；善瑑x在沖擊譜低頻部分測量結果精度是一個工程問題。

2006年，孫偉星等人提出一種大負荷低中頻三向簧片儀，其主要結構有機架、距離墊、簧片、質量劃針組件、壓套、長螺桿和劃板，結構圖如圖5所示。其特點是在簧片儀機架的上端固定安裝有一組呈縱、橫向安裝的長螺桿，每個長螺桿上都安裝有一組簧片用于測量縱、橫向沖擊響應。這種簧片的自由端為自由懸掛狀態(tài)，各簧片儀的最低固有頻率為2.5 Hz。

圖5　大負荷低中頻三向簧片儀

這種懸掛式簧片儀，解決了傳統(tǒng)豎桿式簧片由于響應不穩(wěn)定影響測量結果的問題。這種新型大負荷低中頻三向簧片儀能擴大沖擊響應譜低頻段測量量程，并且提高精度，具有結構簡單，工作可靠性高等特點[12]。

2.2激光多普勒技術測沖擊譜

對于簧片儀這種懸臂梁式的測量儀器，通常是在懸臂梁的根部貼應變片來測試根部應力或在懸臂梁的自由端安裝加速度計測量加速度響應。這種情況下，當沖擊當量大，容器變形劇烈時，會導致傳感器脫落而無法進行正常測量[13-15]。

激光多普勒技術利用了光學多普勒效應和光外差技術，具有測量精度高、動態(tài)響應快、測量范圍大等特點[16-17]。在實驗室中，使用沖擊臺做小型沖擊實驗，使用激光多普勒技術來測量試驗臺和設備的沖擊響應。由于激光多普勒技術能快速鎖定運動目標，其信號頻率與目標運動速度成線性關系，因此可以同時測定速度的大小和方向，不僅保證了沖擊響應值的測量精度，還能避免接觸式傳感器在強沖擊載荷作用下，發(fā)生失效或使用壽命減短等問題。

圖6　光學系統(tǒng)結構圖

3　總結

完整正確的沖擊響應譜對分析受沖擊系統(tǒng)的本身特性有著十分重要的作用，能夠暴露出海軍艦艇在材料結構和工藝方面的缺陷。

壓電傳感器在強沖擊下存在的頻率誤差，即零漂，使其在測量低頻沖擊譜時獲得了不準確的數值。通過在壓電傳感器上加裝機械濾波器可以過濾復雜沖擊載荷在設備基礎位置產生的高頻大幅值加速度信號，從而減少零漂現象，保證使用壓電傳感器測量低頻沖擊譜時，測試數據是準確的。

除了壓電加速度計，941B型測振儀也克服了以往速度型測振儀測量頻域窄、量程范圍小的缺點，借用自身結構特點，分別通過改變電磁阻尼比、電子阻尼比以及電子剛度等參數，擴展了加速度計低頻頻段的測量量程。

大負荷低中頻三向簧片儀是為了克服傳統(tǒng)簧片儀由于在大撓度變形下，根部應力過大會發(fā)生失穩(wěn)和斷裂而設計的一種懸掛式簧片儀。這種新型結構使得簧片儀可以測量低至2.5 Hz點的沖擊譜響應。

激光多普勒技術可以不接觸被測物體就能獲得準確測量數據。相比過去直接接觸式測量沖擊譜的方式，在強烈沖擊載荷作用下，可以保證測量儀器不受損壞，提高測量儀器的使用壽命，也可以準確獲得低頻段的沖擊譜測量數據。

測量中低頻沖擊譜的方法不斷被改進和完善，從加速度計、941B型測振儀到新型簧片儀和激光多普勒技術都為描述測點沖擊環(huán)境的準確性提供了可靠測量技術。隨著科技進步，更復雜的沖擊環(huán)境不斷出現，使用多種測量技術同時測量沖擊環(huán)境并相互糾正測量數據已屢見不鮮。簡單便捷的新型測量技術方法需要進一步挖掘，來適應各種復雜沖擊環(huán)境的測量并保證準確性，這對提升海軍艦艇的抗沖擊能力至關重要。

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Review on Measurement Technology of Middle-low Frequency Shock Response Spectrum

ZENG Ze-cui1, YAN Ming1, ZHAO Peng-duo2, ZHANG Lei2

(1.School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang Liaoning 110870, China； 2. Naval Research Center, Beijing 100073, China)

The impact resistance ability of navy is an important property, shock response spectrum is the basis of burst shock protection design. An exact shock response spectrum is significant to the features analysis of systems shocked, which can unmask the navy ship defect of material structure and process engineering. But there is a problem that the measurement of middle-low frequency shock response spectrum is not exact. In order to ensure the veracity of shock response spectrum measured value in the low frequency zone and estimate the impact resistance ability of navy ship equipment, the research status, solution of existing problems and development prospect about measurement of middle-low frequency shock response spectrum was sorted systematically. Firstly, the existing problems and solutions when using sensor to measure the middle-low frequency shock response spectrum were stated. Then, the structure and principle of the new type of accelerometer was analyzed and the improved structure and method of measurement of low frequency shock response spectrum was stated. Finally, the existing measurement technology of middle-low frequency shock response spectrum was summarized and looking into the future.

Shock response spectrumShock systemMeasurement dataNew type of accelerometer

青年科學基金項目(編號：11302259)。

曾澤璀(1992-)，男，碩士研究生，研究方向為沖擊譜測量。

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