中低頻沖擊響應(yīng)譜測量技術(shù)綜述

曾澤璀， 閆　明， 趙鵬鐸， 張　磊

(1.沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)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(yīng)譜測量技術(shù)綜述

曾澤璀1， 閆明1， 趙鵬鐸2， 張磊2

(1.沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)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(biāo)，而沖擊響應(yīng)譜則是設(shè)計爆炸沖擊防護(hù)的基礎(chǔ)，完整正確的沖擊響應(yīng)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(jié)構(gòu)和工藝方面的缺陷。為了進(jìn)一步保證在低頻區(qū)域沖擊響應(yīng)譜測量值的準(zhǔn)確性，從而更好判斷艦艇設(shè)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(xiàn)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(jìn)行綜述；并對新型加速度計結(jié)構(gòu)及原理進(jìn)行分析；同時對低頻沖擊譜傳統(tǒng)測量儀器的改進(jìn)結(jié)構(gòu)及測量方法進(jìn)行闡述；最后對目前中低頻沖擊譜測量技術(shù)進(jìn)行總結(jié)并展望未來。

沖擊響應(yīng)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(fù)雜的利益關(guān)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(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，使武器命中率顯著提高，毀傷能力不斷增強(qiáng)，艦艇的沖擊環(huán)境更為惡劣。艦載設(shè)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(biāo)，而沖擊響應(yīng)譜則是設(shè)計爆炸沖擊防護(hù)的基礎(chǔ)[2]。

n個單自由度的無阻尼的質(zhì)量系統(tǒng)在施加特定沖擊的條件下，測出這些質(zhì)量的最大響應(yīng)并繪制成圖形。可以看出，某些質(zhì)量的響應(yīng)很大，某些則很小。把每個諧振頻率上的最大響應(yīng)標(biāo)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(yīng)譜。

完整正確的沖擊響應(yīng)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(jié)構(gòu)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。現(xiàn)階段中頻和高頻范圍內(nèi)的沖擊響應(yīng)譜的測量技術(shù)已經(jīng)十分成熟，但低頻段沖擊響應(yīng)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(nèi)外有關(guān)中低頻沖擊譜測量的研究現(xiàn)狀和成果進(jìn)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(kuò)展

在沖擊響應(yīng)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(jié)構(gòu)的加速度時，壓電晶體加速度傳感器可以正常使用。但是，當(dāng)壓電晶體加速度傳感器用于測量受到強(qiáng)沖擊載荷作用的結(jié)構(gòu)加速度時，特別是測量像鋼的相互碰擊、爆炸等強(qiáng)沖擊輸入負(fù)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(chǎn)生誤差，這種誤差稱為頻率誤差[4-5]。

在沖擊響應(yīng)譜的測量中，零漂是指在強(qiáng)沖擊響應(yīng)測量中，當(dāng)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(jī)理很復(fù)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(jīng)消失，但晶體內(nèi)部仍有殘余應(yīng)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(shù)量級，從而導(dǎo)致錯誤的加速度信號。

1.1機(jī)械濾波器

只有解決壓電晶體加速度計在強(qiáng)沖擊作用下產(chǎn)生的零漂現(xiàn)象，才能在沖擊測量中獲得完整準(zhǔn)確的加速度時域曲線，從而繪制出完整準(zhǔn)確的沖擊響應(yīng)譜。傳統(tǒng)的機(jī)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(zhì)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(jìn)行實船水下爆炸試驗時使用了由丹麥B&K公司生產(chǎn)的UA0059型機(jī)械濾波器，結(jié)構(gòu)如圖2所示[7]。通過本次試驗證明加裝機(jī)械濾波器可以過濾復(fù)雜沖擊載荷在設(shè)備基礎(chǔ)位置產(chǎn)生的高頻大幅值加速度信號，從而減少零漂現(xiàn)象。但是，UA0059型機(jī)械濾波器由于自身的結(jié)構(gòu)特點，使得其抗拉強(qiáng)度低，橫向剛度高。在強(qiáng)橫向沖擊下，加速度計會發(fā)生橫向轉(zhuǎn)動，從而影響垂向精度。陳輝等人提出一種新型機(jī)械濾波器，其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。壓電晶體傳感器設(shè)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(diào)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(yuǎn)小于垂直方向的剛度。這種新型機(jī)械濾波器在結(jié)構(gòu)上既保證壓縮強(qiáng)度又保證拉伸強(qiáng)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(shù)修正和Hilbert-Huang變換對加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，也有利于減少零漂現(xiàn)象[8]。

圖1　機(jī)械濾波器結(jié)構(gòu)簡圖

圖2　UA0059型機(jī)械濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

圖3　新型夾緊式機(jī)械濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

為了驗證新型機(jī)械濾波器是否能較好地改善加速度計在受強(qiáng)沖擊后出現(xiàn)的零漂現(xiàn)象，在實驗室內(nèi)和野外試驗現(xiàn)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(jié)果進(jìn)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(jié)果表明，在壓電晶體加速度傳感器上安裝新型機(jī)械濾波器進(jìn)行沖擊測量，可以較好地改善加速度計的零漂現(xiàn)象。

1.2速度型拾振器低頻特性拓展

隨著大型工程設(shè)備的出現(xiàn)，超低頻和大振幅的工程振動測量成為了現(xiàn)代工程領(lǐng)域一個重要的工程問題。壓電晶體加速度計可以準(zhǔn)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(jìn)行二次積分后獲得的位移曲線，影響測量精度。因此設(shè)計出一種適應(yīng)復(fù)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(shù)通過增加拾振器系統(tǒng)的質(zhì)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(shù)通過改變拾振器系統(tǒng)的質(zhì)量，來調(diào)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(bǔ)償技術(shù)可以方便地抵消拾振器原機(jī)械系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，從而建立新的傳遞函數(shù)，達(dá)到拓展拾振器低頻特性和擴(kuò)大測量量程的目的[9-11]。

2　新型中低頻沖擊譜測量機(jī)構(gòu)

壓電晶體加速度計可以準(zhǔn)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(yīng)譜測量方法中通常采用一些專業(yè)沖擊譜測量儀器來準(zhǔn)確測量低頻譜響應(yīng)值，如簧片儀和低頻振子。簧片儀為一組自由端部帶集中質(zhì)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(zhì)量與基礎(chǔ)之間的相對運動參數(shù)，并對其信號濾波后進(jìn)行等效計算獲得沖擊響應(yīng)值。而低頻振子由一系列不同固有頻率的彈簧-質(zhì)量塊系統(tǒng)組成，彈簧固定端在沖擊作用下通過測量質(zhì)量塊響應(yīng)值獲得低頻沖擊譜測量值。

2.1大負(fù)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(dāng)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(yīng)力集中，容易造成其失穩(wěn)，而且也會使測量值嚴(yán)重失真，甚至簧片根部產(chǎn)生塑性變形導(dǎo)致儀器失效。因此，在強(qiáng)沖擊載荷作用下，如何確?；善瑑x在沖擊譜低頻部分測量結(jié)果精度是一個工程問題。

2006年，孫偉星等人提出一種大負(fù)荷低中頻三向簧片儀，其主要結(jié)構(gòu)有機(jī)架、距離墊、簧片、質(zhì)量劃針組件、壓套、長螺桿和劃板，結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。其特點是在簧片儀機(jī)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(yīng)。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(fù)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(yīng)不穩(wěn)定影響測量結(jié)果的問題。這種新型大負(fù)荷低中頻三向簧片儀能擴(kuò)大沖擊響應(yīng)譜低頻段測量量程，并且提高精度，具有結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠性高等特點[12]。

2.2激光多普勒技術(shù)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(yīng)變片來測試根部應(yīng)力或在懸臂梁的自由端安裝加速度計測量加速度響應(yīng)。這種情況下，當(dāng)沖擊當(dāng)量大，容器變形劇烈時，會導(dǎo)致傳感器脫落而無法進(jìn)行正常測量[13-15]。

激光多普勒技術(shù)利用了光學(xué)多普勒效應(yīng)和光外差技術(shù)，具有測量精度高、動態(tài)響應(yīng)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(shù)來測量試驗臺和設(shè)備的沖擊響應(yīng)。由于激光多普勒技術(shù)能快速鎖定運動目標(biāo)，其信號頻率與目標(biāo)運動速度成線性關(guān)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(yīng)值的測量精度，還能避免接觸式傳感器在強(qiáng)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(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3　總結(jié)

完整正確的沖擊響應(yīng)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(jié)構(gòu)和工藝方面的缺陷。

壓電傳感器在強(qiáng)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(zhǔn)確的數(shù)值。通過在壓電傳感器上加裝機(jī)械濾波器可以過濾復(fù)雜沖擊載荷在設(shè)備基礎(chǔ)位置產(chǎn)生的高頻大幅值加速度信號，從而減少零漂現(xiàn)象，保證使用壓電傳感器測量低頻沖擊譜時，測試數(shù)據(jù)是準(zhǔn)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(jié)構(gòu)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(shù)，擴(kuò)展了加速度計低頻頻段的測量量程。

大負(fù)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(yīng)力過大會發(fā)生失穩(wěn)和斷裂而設(shè)計的一種懸掛式簧片儀。這種新型結(jié)構(gòu)使得簧片儀可以測量低至2.5 Hz點的沖擊譜響應(yīng)。

激光多普勒技術(shù)可以不接觸被測物體就能獲得準(zhǔn)確測量數(shù)據(jù)。相比過去直接接觸式測量沖擊譜的方式，在強(qiáng)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(zhǔn)確獲得低頻段的沖擊譜測量數(shù)據(jù)。

測量中低頻沖擊譜的方法不斷被改進(jìn)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(shù)都為描述測點沖擊環(huán)境的準(zhǔn)確性提供了可靠測量技術(shù)。隨著科技進(jìn)步，更復(fù)雜的沖擊環(huán)境不斷出現(xiàn)，使用多種測量技術(shù)同時測量沖擊環(huán)境并相互糾正測量數(shù)據(jù)已屢見不鮮。簡單便捷的新型測量技術(shù)方法需要進(jìn)一步挖掘，來適應(yīng)各種復(fù)雜沖擊環(huán)境的測量并保證準(zhǔn)確性，這對提升海軍艦艇的抗沖擊能力至關(guān)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(xué)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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