PDV法測量內(nèi)部爆炸作用下沙墻外層速度

史國凱，楊　軍，劉文祥，張　敏，王　昭，徐海斌，唐仕英，胡華權(quán)，惠海龍

（西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710024）

PDV法測量內(nèi)部爆炸作用下沙墻外層速度

史國凱，楊軍，劉文祥，張敏，王昭，徐海斌，唐仕英，胡華權(quán)，惠海龍

（西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710024）

為研究爆炸波與沙墻相互作用機(jī)理，采用光子多普勒速度測量技術(shù)（PDV）獲得內(nèi)部爆炸作用下沙墻外層速度。設(shè)計(jì)一維點(diǎn)對稱模型的實(shí)驗(yàn)構(gòu)型，制備系列透明的塑料殼體；先將球形裝藥放置于球殼中心，再將細(xì)沙裝入殼體形成封閉的球殼沙墻。對4發(fā)不同比距離的沙墻進(jìn)行PDV測速實(shí)驗(yàn)，均獲得沙墻外層的速度歷程。在爆炸當(dāng)量最大的一發(fā)實(shí)驗(yàn)中，其沙墻外層的速度值在首峰約520m/s后先略有下降再繼續(xù)上升，在有效時(shí)長末端達(dá)到最大約690m/s。實(shí)驗(yàn)證明：在爆炸波與沙墻相互作用機(jī)理的研究中，光子多普勒速度測量技術(shù)可以發(fā)揮一定的作用。

爆炸力學(xué)；光子多普勒速度測量技術(shù)；沙墻外層速度；內(nèi)部爆炸

0　引　言

沙是爆炸防護(hù)的常用材料，沙墻的防護(hù)作用主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：降低有限空間內(nèi)爆炸形成的準(zhǔn)靜態(tài)壓力；消減沖擊波的強(qiáng)度［1-2］。爆炸波與沙墻相互作用機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究存在一些困難：1）爆炸產(chǎn)生的火光和煙塵，以及被爆炸拋灑的沙粒，使得實(shí)驗(yàn)難以觀測爆炸作用下的沙墻形態(tài)；2）高速運(yùn)動的沙粒撞擊傳感器，往往使傳感器直接損壞，很難對爆炸波和沙墻的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行有效測量。數(shù)值模擬是研究爆炸波與沙墻相互作用機(jī)理的另一手段［3］，然而沙是非連續(xù)介質(zhì)，相對于氣體、金屬等連續(xù)介質(zhì)來說，其本構(gòu)關(guān)系的理論研究不太成熟。發(fā)展沙的新本構(gòu)關(guān)系或完善現(xiàn)有的本構(gòu)關(guān)系，仍需要實(shí)驗(yàn)結(jié)果的支撐。

20世紀(jì)70年代以來，任意反射面速度干涉儀（VISAR）［4］和法布里-珀羅干涉儀［5-6］一直是沖擊波物理和爆轟物理研究中自由面速度和粒子速度的重要測試手段。在國內(nèi)外眾多科學(xué)家的努力下，VISAR在儀器結(jié)構(gòu)、輸入系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)等方面都有了較大的改進(jìn)，但是仍然存在著諸如條紋丟失、價(jià)格昂貴等問題。近年來，隨著光纖通信和高速示波器的進(jìn)一步成熟，傳統(tǒng)位移干涉儀［7］不能測量高速運(yùn)動物體和漫反射面的缺點(diǎn)得以解決，美國勞倫斯·利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室（LLNL）報(bào)道了采用1 550 nm窄線寬激光器、單模光纖、光纖集成器件和高帶寬光電轉(zhuǎn)換器研制的光纖位移干涉儀，實(shí)驗(yàn)測得的運(yùn)動速度接近1 200 m/s，但該系統(tǒng)不能辨別物體的運(yùn)動方向［8］。翁繼冬等［9］基于3×3單模光纖耦合器的三端輸出式結(jié)構(gòu)（DISAR），通過對具有固定120°相位差的兩路信號進(jìn)行解算，可以獲得物體的運(yùn)動速度方向。邵磊等［10］采用分立元件的激光多普勒干涉儀，通過在參考光路中加入聲光調(diào)制器對參考光進(jìn)行頻率調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了對爆炸容器外壁動態(tài)變形速度大小和方向的測量。由于該系統(tǒng)采用分立元件，所以不能任意移動，無法適應(yīng)不同實(shí)驗(yàn)的場地要求。楊軍等［11-12］基于單模光纖器件、聲光移頻器和高帶寬光電轉(zhuǎn)換器研制了一套參考光調(diào)制式光纖位移干涉儀。采用短時(shí)傅里葉變換算法編寫了數(shù)據(jù)處理程序，在Hopkinson壓桿上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。

本文利用楊軍等［11-12］研發(fā)的光子多普勒速度測量技術(shù)（PDV）獲得了內(nèi)部爆炸作用下沙墻外層的速度歷程，可為理解爆炸波與沙墻相互作用機(jī)理，修正和完善數(shù)值模型提供可靠數(shù)據(jù)。

1　光子多普勒速度測量技術(shù)

入射激光照射到一運(yùn)動粒子上，散射激光會發(fā)生多普勒頻移，如圖1所示，頻移量為

圖1　運(yùn)動物體引起的激光多普勒頻移

式中：k0——入射光矢量；

k——散射光矢量；

ν——粒子速度矢量。

在研究爆炸沖擊載荷作用下物體運(yùn)動規(guī)律的過程中，一般都采用一個(gè)光纖探頭完成發(fā)射和接收激光的功能，即圖1中θ=180°。代入到式（1）中化簡可得到物體遠(yuǎn)離探頭時(shí)激光多普勒頻移標(biāo)量公式為

式中：λ0——真空中的激光波長；

ν（t）——物體運(yùn)動速度，物體靠近探頭運(yùn)動

時(shí)取正值，遠(yuǎn)離時(shí)取負(fù)值。

為了提取出信號激光中該頻移量，采用光混頻技術(shù)（外差技術(shù)）將兩束不同頻率的激光疊加干涉后在平方律檢測器上輸出差拍信號，通過計(jì)算差拍信號頻率隨時(shí)間的變化可以得出速度隨時(shí)間的變化過程。當(dāng)采用原始頻率的激光作為本機(jī)振蕩與多普勒頻移后的激光進(jìn)行干涉時(shí)，其疊加光場的光強(qiáng)可表示為

從式（4）中可以看出，正向和反向速度產(chǎn)生的干涉光強(qiáng)信號是一樣的，所以無法判斷速度運(yùn)動方向，文中采用光纖聲光移頻器（AOM）調(diào)制參考光頻率，獲得的干涉光強(qiáng)為

式中：I0——參考光光強(qiáng)；

Id——信號光光強(qiáng)；

fm——聲光移頻器調(diào)制頻率；

λ0——激光波長；

φ0——兩束光的初相位差。

ν（t）在物體靠近探頭運(yùn)動時(shí)取正值，遠(yuǎn)離探頭時(shí)取負(fù)值，所以從光電信號中解算出信號頻率后減去調(diào)制頻率即可直接換算出包含運(yùn)動方向的速度歷程。

PDV技術(shù)測量原理如圖2所示，窄線寬光纖激光器1輸出1550nm波長的激光經(jīng)光纖分束器2分成兩路，一路為參考光，另一路測量光經(jīng)光纖環(huán)形器3輸出至探頭4，照射到目標(biāo)上，同時(shí)接收反射光并傳輸至合束器7，與聲光移頻器5調(diào)制并且經(jīng)衰減器6衰減后的參考光混頻，光電探測器8響應(yīng)該信號并用高速示波器記錄。

圖2　光子多普勒速度測量技術(shù)原理圖

2　實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用數(shù)學(xué)上為一維點(diǎn)對稱模型的實(shí)驗(yàn)構(gòu)型，由沙組成封閉球殼沙墻，球形裝藥放置球殼中心，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)制備了系列透明塑料球殼，不僅用于盛裝沙子形成球殼沙墻，而且用于形成炸藥與沙墻之間的空氣間隙。

圖3　實(shí)驗(yàn)構(gòu)型

實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)了4發(fā)，參數(shù)見表1。1#實(shí)驗(yàn)與2#實(shí)驗(yàn)主要對比研究炸藥與沙墻之間的空隙對爆炸波與沙墻間相互作用的影響。1#實(shí)驗(yàn)、3#實(shí)驗(yàn)與4#實(shí)驗(yàn)主要研究不同當(dāng)量的爆炸波與相同參數(shù)的沙墻的相互作用的規(guī)律。

表1　實(shí)驗(yàn)參數(shù)

3　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

信號處理采用短時(shí)傅里葉變換（STFT）算法，基于Matlab編寫數(shù)據(jù)處理程序。首先計(jì)算得到信號中頻率隨時(shí)間的變化規(guī)律（如圖4所示），然后減去聲光移頻器的調(diào)制頻率，最后換算得到運(yùn)動速度歷程（如圖5所示）。

圖4　短時(shí)傅里葉變換計(jì)算得到的時(shí)頻圖

圖5　沙墻外層的速度曲線

4發(fā)實(shí)驗(yàn)測得速度曲線的趨勢基本相同，即其迅速上升到首峰后會有一個(gè)不同程度的下降階段，然后再繼續(xù)上升。速度首峰時(shí)刻可以認(rèn)為是爆炸沖擊波作用在沙墻上引起的壓縮波第1次傳播到沙墻外層的時(shí)刻，沙墻外層速度最高的第3發(fā)實(shí)驗(yàn)的尖峰最為明顯。分析認(rèn)為，壓縮波到達(dá)沙墻外層，同時(shí)稀疏波引入導(dǎo)致沙墻外層速度增加，甚至可能出現(xiàn)沙墻外層與沙墻發(fā)生分離的現(xiàn)象（圖4（b）和圖4（c）中的首峰處出現(xiàn)顏色深度接近的兩條曲線），但速度較高的沙墻外層的厚度較薄，受到的空氣阻力相對其慣性力較顯著，所以出現(xiàn)速度下降的現(xiàn)象；速度的再次繼續(xù)上升是因?yàn)槠溆啻蟛糠稚硥υ诒ㄝd荷的持續(xù)推動下追趕上來造成的。

第1，3，4發(fā)實(shí)驗(yàn)中沙墻的參數(shù)不變，僅炸藥的當(dāng)量不同。從圖5中可以看出，實(shí)驗(yàn)的爆炸當(dāng)量越大，其沙墻外層的速度首峰值越大；實(shí)驗(yàn)的爆炸當(dāng)量越小，其沙墻外層的速度曲線的上升沿和再次上升階段都越平緩。這些現(xiàn)象都是符合預(yù)期的。

第2發(fā)實(shí)驗(yàn)的爆炸當(dāng)量和用沙量與第1發(fā)實(shí)驗(yàn)的相同，但第1發(fā)實(shí)驗(yàn)的炸藥和沙墻之間有空氣間隙，第2發(fā)實(shí)驗(yàn)沒有。從圖5中可以看出，第1發(fā)實(shí)驗(yàn)的速度首峰值比第2發(fā)實(shí)驗(yàn)的小，因?yàn)樯硥εc炸藥之間的空氣間隙先衰減了沖擊波，然后沖擊波才作用在沙墻上。但第1發(fā)實(shí)驗(yàn)的速度曲線在再次上升階段更為陡峭，從趨勢上判斷其勢必會追趕上第2發(fā)實(shí)驗(yàn)的速度曲線。從能量角度考慮，在“沙墻質(zhì)量/爆炸當(dāng)量”這一特征量基本相同的情況下，沙墻外層獲得的最終速度是比較接近的，有限的空氣間隙造成的能量衰減并不顯著，但其對速度首峰的衰減效果卻是顯而易見的。

4　結(jié)束語

對于4發(fā)不同參數(shù)的爆炸波與沙墻相互作用機(jī)理實(shí)驗(yàn)，使用PDV測速系統(tǒng)，均獲得了有效的沙墻外層速度歷程。在爆炸當(dāng)量最大的一發(fā)實(shí)驗(yàn)中，其沙墻外層的速度值在首峰約520 m/s后先略有下降再繼續(xù)上升，在有效時(shí)長末端達(dá)到最大約690m/s。將PDV測速系統(tǒng)引入該實(shí)驗(yàn)，對同類型實(shí)驗(yàn)具有一定的借鑒意義。

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（編輯：莫婕）

Photonic Doppler velocimetry of outer layer of sand wall under internal explosion loading

SHI Guokai，YANG Jun，LIU Wenxiang，ZHANG Min，WANG Zhao，XU Haibin，TANG Shiying，HU Huaquan，HUI Hailong
（Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi'an 710024，China）

To study the interactive mechanism between blast wave and sand wall，the velocity histories of outer layer of sand wall under internal explosion loading were obtained based on photonic Doppler velocimetry（PDV）.The experimental configuration of one-dimensional point symmetry model was designed and series of transparent plastic shell were produced.Spherical charging device was placed in the center of a closed spherical shell，and the shell was filled with sand，forming a spherical shell sand wall.Four sand walls with different scaled distances were tested based on PDV diagnostics，and the velocity histories of outer layer of sand wall were obtained.In the test with biggest explosive yield，after its first peak，about 520 m/s，the velocity of outer layer of sand wall firstly decreased a little and then continued to rise to 690 m/s at most at the end of the effective duration.Therefore，during the study on the interactive mechanism between blast wave and sand wall，the PDV was proven to be useful.

explosion mechanics；photonic Doppler velocimetry；velocity of outer layer of sand wall；internal explosion

A

1674-5124（2016）10-0068-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.10.013

2016-04-11；

2016-05-16

史國凱（1987-），男，陜西咸陽市人，工程師，碩士，主要從事爆炸與沖擊動力學(xué)測試工作。