水下爆炸近场冲击波时间常数测试系统及方法

本发明属于水下爆炸试验技术领域，具体涉及水下爆炸近场冲击波时间常数测试系统及方法。

背景技术：

炸药水下爆炸初期，其能量主要以冲击波的形式向外传播，对目标的破坏起决定性作用。现有技术中，对水下爆炸的研究主要集中在10倍装药半径以外的区域内，其压力峰值一般不大于200mpa，然而对于水下爆炸1～10倍装药半径内的近场研究却不充分。近场冲击波压力往往具有峰值高、变化速度快的特点，因此开展针对水下爆炸近场冲击波时间常数的测试研究对研究水下爆炸冲击波的近场传播特性有重要意义。

目前用于爆炸压力测试的传感器主要有pcb系列压力传感器、锰铜压阻计和聚偏氟乙烯(pvdf)传感器，现有技术中水下流体内部冲击波压力的测试往往采用pcb系列压力传感器。由于近场流体介质状态复杂，冲击波压力衰减迅速，测试信号会受到许多方面的干扰，而且pcb系列压力传感器不易安装，由此会造成不可避免的测试误差。综上所述，现有技术中仅采用压力测试得到的近场冲击波的时间衰减常数是不准确的。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了水下爆炸近场冲击波时间常数测试系统及方法，能够支持水下爆炸近场的气泡与冲击波的联合测试，实现了对水中爆炸近场冲击波时间常数的测试。

本发明提供的水下爆炸近场冲击波时间常数测试系统，包括：水箱、装配板、连接板、支撑定位网架、pvdf传感器组、信号调理仪、高频数据采集仪、上位机、待测炸药、第一高速摄像机、第二高速摄像机、雷管及同步触发装置；

其中，所述水箱的侧壁上对称开设两个透明耐压的观察窗；

所述支撑定位网架用于将所述待测炸药的初始位置限定在所述水箱的几何中心，所述支撑定位网架固定于所述水箱的顶部开口的中间位置；所述连接板由开设在所述支撑定位网架中间位置的凹槽限位，并与所述支撑定位网架固定连接；

所述装配板用于固定所述待测炸药及所述pvdf传感器组，所述装配板的一端与所述连接板固定连接，所述装配板的另一端的中心开设通孔a；雷管装配杆为中空结构，所述雷管装配杆的一端通过通孔与所述装配板固定连接，所述雷管装配杆的另一端中心开设凹槽，所述雷管固定在所述雷管装配杆的凹槽内，所述雷管的雷管线穿过所述雷管装配杆及所述通孔a延伸至所述水箱之外；所述待测炸药固定在所述雷管上；所述雷管与所述同步触发装置连接，所述同步触发装置与所述上位机连接；

所述装配板上所述通孔a的周围开设多个非直线交错排列的贯通方孔，传感器装配板的第一端与所述贯通孔配合将所述传感器装配板固定在所述装配板同侧；所述pvdf传感器组中的传感器分别固定于所述传感器装配板的第二端的面向所述通孔a一侧；所述pvdf传感器组依次与所述信号调理仪、所述高频数据采集仪和所述上位机连接；

所述第一高速摄像机及所述第二高速摄像机均放置于所述水箱的同一观察窗前，所述第一高速摄像机及所述第二高速摄像机的拍摄中心位置与所述待测炸药的中心位于同一高度水平面；所述第二高速摄像机放置于所述第一高速摄像机与所述水箱之间；所述第一高速摄像机及所述第二高速摄像机分别与所述同步触发装置及所述上位机连接。

进一步地，所述观察窗采用透明亚克力材料板制作，所述观察窗的厚度根据所述待测炸药的爆炸强度设定。

进一步地，所述观察窗的厚度为20mm～30mm。

进一步地，所述观察窗采用多层防爆玻璃制作。

进一步地，在所述传感器装配板上套接固定板。

本发明提供的水下爆炸近场冲击波时间常数测试方法，包括以下步骤：

步骤1、向所述水箱中注水至设定位置；

步骤2、在所述水箱的几何中心放置标尺，保持标尺与所述水箱的横截面垂直；调整所述第一高速摄像机及所述第二高速摄像机的位置及姿态，并调焦至画面清晰；

步骤3、将所述pvdf传感器组粘贴在所述传感器装配板的第二端，再将所述传感器装配板插装在所述装配板上的所述贯通孔内，敏感元件一侧朝向所述待测炸药，对所述pvdf传感器组与电缆连接的焊点进行防水处理；依次连接所述pvdf传感器组、信号调理仪、高频数据采集仪和上位机；

步骤4、将所述雷管装配杆的一端与所述装配板固定连接，将所述雷管固定在所述雷管装配杆的另一端的凹槽内，将所述雷管的雷管线穿过所述雷管装配杆及通孔a延伸至所述水箱外；将所述待测炸药安装在所述雷管上，对所述待测炸药进行防水处理；将所述雷管与所述同步触发装置连接，所述同步触发装置与所述上位机连接；

步骤5、将所述连接板和所述装配板放入水中，装配在所述支撑定位网架的中心位置；

步骤6、确认所述同步触发装置的状态，将雷管线与起爆线连接；

步骤7、人员撤离，同步触发，起爆；所述第一高速摄像机及第二高速摄像机将拍摄结果传输到所述上位机中，由所述上位机对拍摄结果进行处理得到所述待测炸药的近场冲击波时间常数。

进一步地，所述步骤7中所述上位机对拍摄结果进行处理得到所述待测炸药的近场冲击波时间常数的过程，包括以下步骤：

步骤7.1、根据所述第二高速摄像机拍摄到的气泡形态，从起爆开始到气泡半径为r的时间记为t0，采用如下公式计算此时气泡的边界压力pb：

其中，qv为所述待测炸药的爆热，单位为j/g；w为所述待测炸药的装药药量，单位为g；r为气泡半径，单位为m；

步骤7.2、根据所述pvdf传感器组获取的各传感器所在位置的冲击波峰值压力pmj，j为传感器的编号，得到所述待测炸药的冲击波压力测试结果；

步骤7.3、根据所述第一高速摄像机的拍摄结果，得到冲击波阵面与炸药之间距离x随时间变化的轨迹，并利用如下公式对x-t曲线进行非线性拟合：

其中，ai、bi均为拟合系数，ai反映冲击波强度大小，bi反映冲击波衰减时间长短，c0表示水中声速，d为所述待测炸药的爆速；

拟合得到系数ai、bi及微分得到冲击波速度，采用以下公式计算得到据所述待测炸药(9)中心r处的冲击波峰值压力pmr：

pmr＝ρ0usup

其中，ρ0为水的密度，单位为g/cm3；us为冲击波速度，单位为km/s；up为冲击波后流场粒子速度，单位为km/s，由此得到爆炸近场冲击波压力峰值随传播距离的变化曲线；

步骤7.4、设当气泡半径r达到第j个传感器所在位置时，所用时间为to，令p(t)＝pb，t＝t0，pm＝pmj，则可得到第j个传感器测试测试点位置的时间常数为θ：

进一步地，所述步骤7.4中的时间常数采用如下方式计算：

设当气泡半径为r时，所用时间为to，气泡边界压力为pb，在冲击波轨迹测试结果处理得到的近场冲击波压力峰值随传播距离的变化曲线中，据炸药中心距离r＝气泡半径r时，冲击波峰值压力为pmr，即可得到据炸药中心r位置的时间常数为θ：

有益效果：

1、本发明采用包含多个pvdf传感器的pvdf传感器组代替单个传感器，并多个pvdf传感器采用非直线交错排列的方式布置，在近场情况较为复杂的条件下，减弱了传感器之间的相互干扰，提高了测试系统的准确性；采用将pvdf传感器组装配在装配板上的方式，简化了传感器群组以及炸药的入水过程；避免了传感器与炸药的悬空放置，设置了传感器之间的连接支承结构，有利于精确控制测试点位置，减小了传感器随着结构的弯曲变形引起的横向拉伸效应，提高测试精确度。

2、本发明采用气泡及冲击波的联合测试法，采用高速摄像机测量爆炸气泡，采用pvdf传感器组测量冲击波压力，再结合经验公式，计算得到水下爆炸近场冲击波的时间常数，代替了现有技术中仅测试冲击波压力计算得到时间常数的方法，避免了测试环境对冲击波造成的影响，使得到的时间常数不受冲击波压力曲线中杂波的影响，有效的提高了测试结果的准确性。

附图说明

图1为本发明提供的水下爆炸近场冲击波时间常数测试系统框架图。

图2为本发明提供的水下爆炸近场冲击波时间常数测试系统示意图。

图3为本发明提供的水下爆炸近场冲击波时间常数测试系统中的装配板结构示意图。

其中，1-水箱，2-装配板，3-连接板，4-支撑定位网架，5-pvdf传感器组，6-信号调理仪，7-高频数据采集仪，8-上位机，9-待测炸药，10-第一高速摄像机，11-第二高速摄像机，12-雷管，13-同步触发装置。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供的水下爆炸近场冲击波时间常数测试系统，系统框架如图1所示，包括：水箱1、装配板2、连接板3、支撑定位网架4、pvdf传感器组5、信号调理仪6、高频数据采集仪7、上位机8、待测炸药9、第一高速摄像机10、第二高速摄像机11、雷管12和同步触发装置13。

水下爆炸近场冲击波时间常数测试系统的结构如图2所示。其中，水箱1，用于为待测炸药提供水下爆炸的测试空间。水箱1为顶部开口的筒体，水箱1的侧壁上对称开设两个透明耐压观察窗，由两个观察窗形成的光通道便于第一高速摄像机10与第一高速摄像机11更加清晰地拍摄到炸药爆炸所产生的气泡。其中，为了便于观察和拍照，观察窗通常采用透明亚克力材料板制作，同时，根据待测试炸药的不同，观察窗的厚度也不相同，一般情况下设置为20mm～30mm厚。此外，观察窗也可采用多层防爆玻璃制作。进一步地，为了便于在试验过程中控制注水深度，可在观察窗上标记水位刻度线。

支撑定位网架4，用于将待测炸药9的初始位置限定在水箱1的几何中心。支撑定位网架4固定于水箱1的顶部开口的中间位置；连接板3通过开设在支撑定位网架4中间位置的凹槽与支撑定位网架4固定连接。

装配板2，用于固定待测炸药9及pvdf传感器组5。装配板2的一端与连接板3固定连接，例如可通过螺栓固定连接。装配板2的另一端的中心开设通孔；雷管装配杆为中空结构，雷管装配杆的一端通过通孔与装配板2固定连接，雷管装配杆的另一端中心开设凹槽，雷管12固定在凹槽内，雷管线穿过雷管装配杆及通孔延伸至水箱外；通孔的周围开设多个非直线交错排列的贯通方孔，通过传感器装配板的第一端与贯通孔的配合实现传感器装配板与装配板2的固定，进一步地可通过胶粘的方式增强传感器装配板与装配板2稳定性，此外，通过在传感器装配板上套接固定板进一步增强传感器装配板的稳定性。待测炸药9固定安装在雷管12上，并对待测炸药9进行防水处理。雷管12通过起爆线与同步触发装置13连接，同步触发装置13与上位机8连接。

pvdf传感器组5，用于测量待测炸药9爆炸时产生的冲击波压力。pvdf传感器组5包含多个水下压力传感器，水下压力传感器分别固定于传感器装配板的第二端的面向通孔一侧，使各水下压力传感器的敏感元件一侧与待测炸药9在同一平面内，各水下压力传感器与电缆连接的焊点一侧面向贯通方孔，对pvdf传感器组5与电缆连接的焊点进行防水处理。pvdf传感器组5依次与信号调理仪6、高频数据采集仪7和上位机8连接，采集测试点数据。

第一高速摄像机10用于拍摄待测炸药爆炸时产生气泡的气泡轨迹，第二高速摄像机11用于拍摄待测炸药爆炸时产生气泡的气泡形态。第一高速摄像机10及第二高速摄像机11均放置于水箱1的一个观察窗前，第一高速摄像机10及第二高速摄像机11的拍摄中心位置与待测炸药9的中心位于同一高度水平面。第二高速摄像机11放置于第一高速摄像机10与水箱1之间的位置。第一高速摄像机10及第二高速摄像机11分别与同步触发装置13相连及上位机8相连。

上位机8用于对接收到的来自于pvdf传感器组5、第一高速摄像机10及第二高速摄像机11进行处理得到待测炸药9的水下爆炸近场冲击波时间常数。

采用本发明提供的水下爆炸近场冲击波时间常数测试系统，本发明提供了水下爆炸近场冲击波时间常数测试方法，具体包括以下步骤：

步骤1、向水箱1注水至设定位置。

步骤2、在水箱1的几何中心放置标尺，保持标尺与水箱1的横截面垂直；调整第一高速摄像机10及第二高速摄像机11的位置及姿态，并调焦至画面清晰。

其中，第一高速摄像机10的拍摄视场长度不小于6倍待测炸药9的装药半径，采样频率不小于200000帧/秒。第二高速摄像机11的拍摄视场长度不小于待测炸药9的装药量通过经验公式计算得到的气泡脉动最大直径，采样频率为的取值范围为区间[10000帧/秒，30000帧/秒]。

步骤3、在装配板2上固定pvdf传感器组5。将pvdf传感器组5粘贴在传感器装配板的第二端，然后将传感器装配板插装在装配板2上的贯通方孔内，敏感元件一侧朝向待测炸药9的位置，pvdf传感器组5与电缆连接的焊点进行防水处理。依次pvdf传感器组5、信号调理仪6、高频数据采集仪7和上位机8，以采集测试点数据。

步骤4、将雷管装配杆的一端通过通孔与装配板2固定连接，将雷管12固定在雷管装配杆另一端的凹槽内，雷管线穿过雷管装配杆及通孔延伸至水箱1外；将待测炸药9安装在雷管12上，对待测炸药9进行防水处理。雷管12通过起爆线与同步触发装置13连接，同步触发装置13与上位机8连接。

步骤5、将安装完毕的连接板3和装配板2的组合体放入水中，装配在支撑定位网架4的中心位置。

步骤6、确认同步触发装置13状态，将雷管线与起爆线连接。

步骤7、人员撤离，同步触发，起爆；第一高速摄像机10及第二高速摄像机11将拍摄结果传输到上位机8中，再由上位机8对拍摄结果进行处理、显示、记录。

其中，上位机8对试验测试结果进行处理的过程，包括以下步骤：

步骤7.1、根据第二高速摄像机11拍摄的气泡形态计算气泡的边界压力。

根据第二高速摄像机11的拍摄到的气泡形态，从起爆开始到气泡半径为r的时间记为t0，这一过程即为在气泡膨胀阶段中气泡半径第一次达到r，此时，采用如下公式计算气泡的边界压力pb：

其中，qv为待测炸药9的爆热，单位为j/g；w为待测炸药9的装药药量，单位为g；r为气泡半径，单位为m。

步骤7.2、根据上位机8获取的pvdf传感器组5上传的各传感器所在位置的冲击波峰值压力pmj，j为传感器的编号，从而得到待测炸药9的冲击波压力测试结果。

步骤7.3、处理第一高速摄像机10的拍摄结果，得到待测炸药9的冲击波轨迹测试结果，即据炸药中心r处的冲击波峰值压力为pmr。

第一高速摄像机10的拍摄结果经上位机处理后，得到冲击波阵面与炸药之间距离x随时间变化的轨迹，并利用如下公式对x-t曲线进行非线性拟合：

其中，ai、bi均为拟合系数，ai反映冲击波强度大小，bi反映冲击波衰减时间长短；c0表示水中声速，为1.46km/s；d为炸药的爆速。拟合得到公式系数ai、bi，得到的冲击波速度为冲击波波阵面的法向速度，通过以下公式计算得到据炸药中心r处的冲击波峰值压力pmr：

pmr＝ρ0usup

us＝1.483+25.306lg(1+up/5.19)

式中：ρ0为水的密度，单位为g/cm³；us为冲击波速度，单位为km/s；up为冲击波后流场粒子速度，单位为km/s。由此即可求得爆炸近场冲击波压力峰值随传播距离的变化曲线。

根据以上实验测试结果，本发明提出了两种得到近场冲击波时间衰减常数的方法：

根据现有知识可知，冲击波压力p与冲击波到来后的时间t之间的函数关系式为：

p(t)＝pm*e^-t/θ

式中，pm为水中冲击波初始压力的峰值，θ为冲击波的衰减时间常数。

方法一：光测压测结合法，当气泡半径r达到第j个传感器位置时，所用时间为t0，令上式中，p(t)＝pb，t＝t0，pm＝pmj，则可得到第j个传感器测试测试点位置的时间常数为θ：

方法二：光测压测结合法，当气泡半径为r时，所用时间为t0，气泡边界压力为pb，在冲击波轨迹测试结果处理得到的近场冲击波压力峰值随传播距离的变化曲线中，据炸药中心距离r＝气泡半径r时，冲击波峰值压力为pmr，则将pb、t0、pmr代入公式，即可得到据炸药中心r位置的时间常数为θ：

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。