炸藥水下爆炸信號特征分析

賈虎

（南陽師范學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，河南 南陽 473061）

炸藥水下爆炸信號特征分析

賈虎

（南陽師范學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，河南 南陽 473061）

為了研究黑索金炸藥水下爆炸性能，采用小波變換分析炸藥水下爆炸試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別提取爆炸沖擊波和氣泡脈動兩個(gè)不同時(shí)段信號進(jìn)行能量與頻率分析，結(jié)果表明：水下爆炸沖擊波信號能量在頻帶上分布廣泛，沖擊波壓力能量主要集中在120KHz以下，a8頻帶所占能量為19.9%，d5頻帶所占能量為21.6%，這兩個(gè)頻帶為優(yōu)勢頻帶，集中了41.5%的能量；氣泡脈動在97.6Hz以內(nèi)頻帶能量占到能量的91.7%；水下爆炸沖擊波能量和氣泡脈動能量占總能量的比例依次為71.9%，28.9%。采用小波分析能很好的滿足水下爆炸非平穩(wěn)隨機(jī)特征分布的要求，達(dá)到準(zhǔn)確分析信號特征的目的。

黑索金炸藥；水下爆炸；小波分析；能量分布

1 引言

炸藥水下爆轟瞬間產(chǎn)生的能量使爆炸產(chǎn)物氣泡瞬時(shí)達(dá)到高溫高壓，產(chǎn)生的沖擊波、氣泡脈動等會對水下目標(biāo)造成毀傷［1］。研究炸藥在水中爆炸的能量輸出結(jié)構(gòu)對分析水中兵器毀傷激勵(lì)、研究目標(biāo)沖擊響應(yīng)等具有重要意義。目前在水下爆炸壓力測試中常采用電測法，這種測試方法能從測試曲線中獲取指標(biāo)參數(shù)和分析頻率特性，對目標(biāo)毀傷分析和防護(hù)有重要意義［2］。

炸藥水下爆炸壓力分析是研究炸藥水下爆炸特性的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)水下爆炸壓力信號分析時(shí)往往采用時(shí)域分析方法，但是由于爆炸壓力信號具有突變快、持時(shí)短等特點(diǎn)，是典型的非平穩(wěn)信號［3］。本文在比較傅里葉變換、Gabor變換等不同的信號分析方法后提出基于小波變換的炸藥水下爆炸信號處理方法，以揭示其水下爆炸信號特征。

2 炸藥水下爆炸實(shí)驗(yàn)

炸藥水下爆炸實(shí)驗(yàn)在直徑5.5m，高3.6m，形狀為圓柱形的水下爆炸試驗(yàn)水箱中進(jìn)行。炸藥裝藥形狀為球形，起爆方式為中心起爆。傳感器與藥包在同一水平線上，入水深度為120cm。傳感器采用HZP2-WA型水下爆炸壓力傳感器，它的最大量程為100MPa，輸出經(jīng)放大器放大后，電壓靈敏度不小于10mV/MPa，非線性誤差小于5%。示波存儲器采用AGILENT公司， 54815A型號存儲示波器，采樣頻率為500KHz，觸發(fā)方式為壓力傳感器信號觸發(fā)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)置如圖1所示。

圖1 水下爆炸實(shí)驗(yàn)示意圖

實(shí)驗(yàn)炸藥藥包與壓力傳感器的距離為70cm，藥包炸藥為黑索金，藥包TNT當(dāng)量為15g，藥包形狀為球形裝藥，裝藥密度為1g/cm3，起爆方式為中心起爆。實(shí)驗(yàn)測得的沖擊波壓力波形如圖2所示，氣泡脈動壓力波形如圖3所示。

圖2 沖擊波壓力時(shí)程曲線

圖3 氣泡脈動時(shí)程曲線

從圖2可以看出，測點(diǎn)處沖擊波壓力峰值為16.8MPa，壓力由零上升至峰值的時(shí)間為6sμ，從峰值降至零的時(shí)間約為36sμ。從圖3水下爆炸氣泡脈動壓力圖像看出，氣泡壓力峰值為1.32MPa，氣泡脈動周期為0.056s。

3 炸藥水下爆炸信號小波分析

3.1 小波分解與重構(gòu)

為了能夠獲得炸藥水下爆炸信號的細(xì)節(jié)性質(zhì)，提供頻率成分的時(shí)間局部信息，采用Daubechies8小波函數(shù)對水下爆炸沖擊波壓力信號和氣泡脈動信號分別進(jìn)行離散小波變換。信號采樣頻率為500KHz，則由采樣定律知其Nyquist頻率為250KHZ，采用db8小波函數(shù)將信號分析到第8層，可獲得9個(gè)頻帶的小波分解信號，對應(yīng)的最低頻帶為0-0.9765625kHz。

圖4 沖擊波信號小波分解

利用db8小波基對沖擊波信號進(jìn)行分解，為驗(yàn)證小波分解后信號是否真實(shí)反映原信號，對其進(jìn)行完全重構(gòu)，重構(gòu)信號與原信號的相對誤差量級在10-11以上，完全能滿足計(jì)算及分析要求。將9個(gè)頻帶分解系數(shù)重構(gòu)后，得到的9個(gè)頻帶的沖擊波分量時(shí)間歷程曲線如圖4所示。a8為小波分解重構(gòu)信號的低頻分量，d1-d8為高頻分量。d2中1.63μs時(shí)幅值最大，為4.426Mpa，且明顯高于各層細(xì)節(jié)信號的幅值，能流高度集中。d5-d8及a8的波形信號比較接近沖擊波信號，振動幅值較大，能量主要集中在這部分。d1-d4的振動幅值波動較大，說明水下爆炸沖擊波信號包含的頻率成分比較豐富。

圖5 氣泡脈動信號小波分解

圖5為氣泡脈動小波分解結(jié)果，由d1～d5的細(xì)節(jié)系數(shù)可以看出，存在噪聲信號干擾；d6～d8和a8的峰值出現(xiàn)在0.056s前后，這和氣泡脈動信號峰值出現(xiàn)時(shí)間一致，反映了氣泡脈動的主要特征，振動幅值較大，能量主要集中在這部分，這說明氣泡脈動信號能量主要集中在低頻段。

從圖4和圖5可以看出，基于小波變換的時(shí)頻分析方法可以獲得爆炸沖擊波和氣泡脈動在不同頻帶的分布與衰減的細(xì)節(jié)信息。

3.2 能量分布

為了進(jìn)一步分析水下爆炸沖擊波壓力信號各頻帶能量分布情況，根據(jù)小波變換分層重構(gòu)信號得到不同頻帶上水下爆炸沖擊波和氣泡脈動相對能量分布情況，如圖6所示。

圖6 沖擊波頻段能量分布圖

圖7 氣泡脈動頻段能量分布圖

從圖6可以看出，水下爆炸沖擊波信號能量在頻帶上分布比較廣泛，各個(gè)頻帶上都有，在前8個(gè)頻帶內(nèi)，沖擊波壓力相對能量最大，占總能量的比例高達(dá)90.19%，說明沖擊波壓力主要集中在120KHz以下。a 8頻帶所占能量為19.9%，d5頻帶所占能量為21.6%，說明這兩個(gè)頻帶為優(yōu)勢頻帶，集中了41.5%的能量。

圖7氣泡脈動能量在頻帶上分布比較窄，主要集中在a8和d8頻帶，這兩個(gè)頻帶所占的能量比例高達(dá)99.19%，說明氣泡脈動的能量主要集中在3.9KHz以內(nèi)。a8頻帶所占能量為91.7%，即在97.6Hz以內(nèi)頻帶能量最高。

圖8 沖擊波和氣泡脈動信號各頻帶小波能量分布

據(jù)小波變換分層重構(gòu)信號可以獲得各階段不同頻率帶上沖擊波和氣泡脈動的能量分布情況，如圖8所示。水下爆炸沖擊波能量和氣泡脈動能量占總能量的比例依次為71.9%，28.9%。

3.3 時(shí)頻譜分析

圖9 沖擊波小波時(shí)頻譜

圖10 氣泡脈動小波時(shí)頻譜

圖9和圖10為小波變換得到的沖擊波和氣泡脈動信號三維能量譜，紅色部分表示相對能量較高。從圖中可以看出小波時(shí)頻譜能夠表現(xiàn)出良好的局部化特征，小波時(shí)頻譜上的能量呈分散特征，能量峰值對應(yīng)的時(shí)刻與沖擊波和氣泡脈動時(shí)間曲線峰值對應(yīng)時(shí)刻相同；而能量頻率分布情況則和小波能量分析結(jié)果一致。

4 結(jié)論

開展黑索金炸藥水下爆炸沖擊波信號和氣泡脈動信號特征研究，對小波重構(gòu)信號能量分布及時(shí)頻譜進(jìn)行分析，得出結(jié)論如下：

（1）實(shí)驗(yàn)測的測點(diǎn)處沖擊波壓力峰值為16.8MPa，壓力由零上升至峰值的時(shí)間為6μs，從峰值降至零的時(shí)間約為36μs；水下爆炸第一次氣泡脈動壓力峰值為1.32MPa，氣泡脈動周期為0.056s；

（2）采用小波變換方法對炸藥水下爆炸沖擊波信號和氣泡脈動信號進(jìn)行分析，獲得了二者在各頻帶上的壓力-時(shí)間細(xì)節(jié)信號，在不同頻帶上相對能量分布情況及小波時(shí)頻譜：水下爆炸沖擊波信號能量在頻帶上分布廣泛，沖擊波壓力能量主要集中在120KHz以下，a8頻帶所占能量為19.9%，d5頻帶所占能量為21.6%，這兩個(gè)頻帶為優(yōu)勢頻帶，集中了41.5%的能量；氣泡脈動在97.6Hz以內(nèi)頻帶能量占到能量的91.7%；水下爆炸沖擊波能量和氣泡脈動能量占總能量的比例依次為71.9%，28.9%；

（3）依據(jù)小波分解原理，通過將沖擊波信號和氣泡脈動信號分解到不同頻帶上，能夠很好的適應(yīng)分析信號非線性、非平穩(wěn)的特征，全面了解水下爆炸信號的頻率分布和能量分布，以及信號的時(shí)頻譜特征，更好的滿足水下爆炸非平穩(wěn)隨機(jī)特征分布的要求。

［1］Cole R H. Underwater explosions ［M］. New Jersy： LISA，Princeton University Press， 1948：10-50.

［2］賈云飛， 張春棋， 康金. 爆炸沖擊波信號測試與小波分析［J］. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)， 2014， 34（5）：86-89.

［3］賈虎， 沈兆武. 纖維爆炸索水下爆炸聲信號特征的小波分析［J］. 振動與沖擊， 2011， 30（09）：243-247.

O381

A

1003-5168（2015）11-068-03

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11202109；11304168）

賈虎（1980.3-），男，副教授，研究方向：土木工程。