沖擊加速度測試中的放大器頻率效應*

唐 林,陳 剛,孫遠程

(1 中國工程物理研究院總體工程研究所,四川綿陽 621999;2 中國工程物理研究院電子工程研究所,四川綿陽 621999)

0 引言

高g值加速度參量是強沖擊試驗的主要特征參量之一[1]。在侵徹武器等兵器彈藥系統(tǒng)的設計和研發(fā)過程中,彈體侵徹過程中的加速度-時間歷程關系到彈體強度設計、侵徹深度計算、炸藥安定性、引信的準確工作等多個領域的研究[2-5]以及民用工業(yè)里,在對結構進行碰撞、墜落等工況的分析中,加速度都是一個重點關注的參量。

高g值加速度實測信號包括結構的剛體加速度、結構振動、結構中的應力波傳播和其他外部噪聲信號等[6]。影響加速度測試信號的因素很多,對其研究關系到能否準確測量到所需的沖擊加速度。

國內(nèi)外的學者對高g值加速度信號測試的影響因素開展了很多研究。針對濾波墊材料對加速度信號的影響,文獻[7]指出濾波材料的剛度與阻尼直接影響到濾波截止頻率的大小,文獻[8]通過數(shù)值模擬分析了橡膠、環(huán)氧樹脂、低密度聚乙烯三種緩沖材料對侵徹過載的影響,表明低密度聚乙烯可以對加速度計起到較好的濾波、保護目的;趙小龍等[9]的研究顯示不同安裝方式下加速度計的輸出信號有很大差異;盧玉斌等[10]提出測試裝置應盡量和結構剛性連接,同時還應盡量提高安裝剛度;此外,研究者們還針對加速度計的類型、固有頻率、非線性和沖擊校準精度等對測試信號的影響開展了研究,并得到了一系列可借鑒的研究成果[11-14]。綜合來看,目前針對加速度信號測試影響因素的研究側(cè)重于分析材料特性、結構特性、加速度計固有屬性等的影響,而缺乏對實驗加速度信號的組分、頻率特性的深入分析以及缺乏關于測試系統(tǒng)特性對測試信號影響的研究。

針對測試系統(tǒng)的影響,采用跌落式?jīng)_擊臺進行實驗,通過設置不同的放大器低通截止頻率獲得了相同加載條件下的不同加速度測試曲線,結合頻譜分析和傳感器的頻響范圍得到能有效測得沖擊加速度信號的低通截止頻率范圍,并通過模態(tài)分析驗證了結果的準確性。此外,利用有限元軟件對實驗進行了數(shù)值模擬,并將數(shù)值結果同實驗結果進行了比較分析。

1 實驗和結果分析

圖1是試驗裝置跌落式?jīng)_擊臺[15]的示意圖。實驗系統(tǒng)包含球面沖擊塊、底座、擊塊架、加速度傳感器、放大器等。沖擊塊材料采用CrWMn合金工具鋼。測試傳感器Endevco2270壓電加速度計的沖擊極限為15 000g,頻響范圍為2 Hz～20 kHz,通過一個轉(zhuǎn)接頭安裝在球面沖擊塊上;放大器Endevco133帶寬為100 kHz。實驗中將沖擊塊從一定高度自由釋放以獲得一定的初速度,通過沖擊塊對底座的撞擊實現(xiàn)高g值加載,安裝在沖擊塊上的加速度測試裝置記錄整個過程沖擊塊的加速度信號。實驗數(shù)據(jù)的采樣頻率為1 MHz。

圖1 實驗裝置

實驗的沖擊試驗參數(shù)如表1所示。實驗時,將球面沖擊塊從同一高度h=250 mm處自由釋放,通過五種不同低通截止頻率的設置研究相同加載條件下的加速度信號差異,測試信號以電壓信號的形式存儲,最終通過電壓信號與加速度信號的轉(zhuǎn)換關系得到加速度-時間歷程曲線,電壓信號與加速度信號的轉(zhuǎn)換關系為1 000g/V。實驗所測的沖擊加速度-時間歷程曲線如圖2～圖4所示,對應信號主脈沖的幅值和脈寬在表2中給出。

表1 沖擊試驗參數(shù)

圖2 全帶通時的加速度曲線

圖3 30 kHz低通時的加速度曲線

圖4 其余三組低通加速度曲線

分析比較圖2～圖4及表2可以發(fā)現(xiàn),在放大器的低通截止頻率選取為全帶寬時,實測加速度-時間歷程曲線包含主脈沖,主脈沖過后是一段幾百微秒的高頻高幅值振蕩衰減過程;低通截止頻率為30 kHz時,主脈沖幅值相對減小、脈寬增大,主脈沖之后也有一個持續(xù)數(shù)百微秒的振蕩衰減過程,但其中的高頻成分比全帶通測試信號少;隨著低通截止頻率的降低,主脈沖幅值逐步減小、脈寬隨之增大,加速度曲線逐漸趨于光滑,且振蕩性顯著降低。這是隨著低通截止頻率的降低,加速度信號中高頻分量被逐一濾除的結果。通過對較高截止頻率時的曲線采用相應的較低頻率進行數(shù)值濾波,可以得到近乎相同的曲線,表明五組實驗具有較好的重復性。

表2 加速度主脈沖參數(shù)

為研究實測加速度信號的頻率特性,并對加速度-時間歷程曲線的特點做進一步的了解,將各組實驗所得的加速度信號做頻譜分析,得到兩組頻譜曲線對比如圖5所示。從頻譜圖上看出,在放大器全帶通時,信號頻帶主要在85 kHz以下,并且主要集中9 kHz以下和48～63 kHz兩個頻帶范圍,兩個頻帶的中心頻率分別為5 kHz和55 kHz,并且后者的幅值比在9 kHz以下的低頻信號還要大得多;在放大器的低通截止頻率為30 kHz時,測試信號的頻譜主要集中在65 kHz以下,在此范圍的分布與放大器全帶通時類似,但頻帶在35～65 kHz區(qū)間的信號幅值大大減小,但也不可忽略,這也表明放大器所設置的低通截止頻率不能將高于該頻率的信號完全濾除;在放大器的低通截止頻率為10 kHz時,9 kHz以下的信號幅值和前兩種狀態(tài)下的基本一致,而20 kHz以上的高頻信號則已基本消除;當放大器的低通截止頻率為3 kHz和1 kHz時,10 kHz以內(nèi)的信號的幅值分布與前三種狀態(tài)發(fā)生了大的變化,可以說,所測得的信號已不完整。

圖5 不同低通截止頻率下加速度曲線的頻譜對比圖

Endevco2270傳感器測試信號的頻響范圍為2 Hz～20 kHz,故測試曲線中20 kHz以上部分的信號,即峰值頻率為55 kHz所在頻段信號可能并不是實驗中沖擊塊的加速度信號。而Endevco133放大器的帶寬是100 kHz,故這部分信號也是由傳感器感受并傳輸?shù)椒糯笃鞯玫降慕Y果,可認為這些信號也是傳感器敏感元件所承受的加速度歷程,它們可能是沖擊塊撞擊載荷導致的傳感器敏感元件共振所致。

將全帶通測試加速度信號以傳感器頻響上限20 kHz為截止頻率做高通濾波,得到如圖6所示曲線。由圖可見,除原始曲線第一個主峰部分的信號基本消失外,振蕩衰減部分的幅值僅略有減小,表明在測試范圍之外傳感器還承受高頻幅值的過載。

圖6 全帶通加速度信號的10 kHz高通濾波曲線

由此可以得到兩點認識,一是在實驗所用的跌落沖擊工況下,加速度信號放大器的低通截止頻率設置為10 kHz可以有效測試到實驗中的沖擊塊剛體加速度信號,更高或者更低的低通截止頻率設置均會導致測試結果與實際的偏差;二是在沖擊載荷條件下,由于沖擊加速度的頻率成分豐富,頻帶很寬,會導致傳感器敏感元件由于共振作用使其承受比實際實驗加速度高得多的過載,甚至可能成為某些工況下傳感器失效的原因。

2 模態(tài)分析

利用基于模態(tài)分析的固定閾值濾波方法對全帶通時的加速度信號進行處理,可以得到?jīng)_擊塊的剛體加速度信號,并將所得信號與10 kHz低通時的加速度信號作對比,以驗證實驗結果的有效性和結論的準確性。

根據(jù)模態(tài)分析結果,可以判斷出實測信號的一階軸向振動所對應的頻率。由于結構的剛體加速度信號主要在低頻段,而振動信號所在頻段在剛體加速度信號頻段之后,因此以一階軸向振動所對應的頻率為低通濾波截止頻率,可以將結構在沖擊過程中的軸向振動信號完全濾除,得到較為準確的沖擊塊剛體加速度信號。為此,對實驗裝置進行模態(tài)分析,得到?jīng)_擊塊的固有頻率和振型結果,圖7為裝置的一階模態(tài),對應沖擊塊的一階軸向振動(即其撞擊方向)。結果顯示,沖擊塊的一階軸向振動的固有頻率約為13.1 kHz,該頻率與放大器設置的10 kHz低通截止頻率很接近。以此頻率為低通濾波截止頻率對全帶通時的加速度信號進行濾波,并將濾波后的加速度信號同10 kHz低通時的加速度信號進行對比,得到?jīng)_擊加速度信號對比曲線如圖8所示。從圖8可以看出,采用13.1 kHz濾波后的加速度信號同放大器的低通截止頻率為10 kHz時所采集的加速度信號重合性較好,二者在主脈沖段的幅值和脈寬都幾乎相等。

圖7 沖擊塊的第1階模態(tài)

圖8 加速度信號對比曲線

3 沖擊跌落實驗數(shù)值模擬結果

為進一步分析加速度信號測試的影響因素,對沖擊塊跌落測試進行了數(shù)值模擬,并將數(shù)值模擬結果同實測結果進行對比分析。結合實驗的情況,由于傳感器與轉(zhuǎn)接頭、轉(zhuǎn)接頭與沖擊塊之間均為螺紋連接,將組件之間的連接方式設置為固連接觸,在模擬時將傳感器等效為鋼材,模型的各個組件均按照線彈性模型處理,采用鋼的材料參數(shù)。由于沖擊塊是對稱的,取1/4模型進行數(shù)值模擬,有限元模型如圖9所示。數(shù)值模擬的仿真時間為1.5 ms,數(shù)據(jù)輸出頻率為1 MHz。

提取出沖擊塊模型的加速度信號并對其做頻譜分析,得到其加速度曲線和頻譜圖如圖10和圖11所示。從圖10可以看出,沖擊塊模型的加速度信號存在一個主峰和一段持續(xù)的振蕩過程,主峰的幅值約為7 400g,脈寬約為120 μs。頻譜曲線顯示沖擊塊的加速度信號主要集中在15 kHz以內(nèi),高于該頻率的頻帶范圍信號很少。

圖9 實驗裝置有限元網(wǎng)格圖

結合實驗的具體情況及前文的分析已知,放大器的低通截止頻率選取為10 kHz時可以有效測得實驗中的沖擊加速度信號。根據(jù)應力波的知識可知,傳感器敏感元件感應的信號是由沖擊塊撞擊產(chǎn)生并通過應力波傳播過來的,將10 kHz低通時的實測加速度信號同沖擊塊模型的加速度信號作對比,以驗證傳感器所測加速度信號與沖擊塊的撞擊脈沖信號的一致性,得到二者的對比曲線如圖12所示。

圖10 數(shù)值模擬沖擊塊加速度曲線

圖11 數(shù)值模擬沖擊塊加速度信號頻譜

圖12 實驗和模擬加速度信號對比曲線

從圖12可以得到,沖擊塊模型的加速度信號與10 kHz低通時的實測加速度信號在主峰段的持續(xù)時間和峰值都幾乎相等,所不同的是在振蕩衰減階段,實測加速度信號的幅值和脈寬都更大,這是由數(shù)值模擬考慮的是一種理想狀態(tài)所致,對比結果表明,實驗中傳感器敏感元件所感受到的加速度信號與沖擊塊撞擊所產(chǎn)生的加速度信號是一致的。

4 結論

針對沖擊加速度測試中放大器低通截止頻率對測試曲線的影響,采用跌落式?jīng)_擊臺裝置進行了加速度測試實驗。對不同放大器低通截止頻率的五組加速度信號進行了詳細分析。

實驗結果表明,不同的放大器低通截止頻率下所得的加速度信號間存在較大差異,采用10 kHz的放大器低通截止頻率設置可以較好地測試實驗中沖擊塊的加速度歷程;此外,測試信號的頻率成分豐富,頻帶很寬,碰撞載荷可能會導致傳感器敏感元件由于共振作用使其承受比實際實驗加速度高得多的過載。對于結構的加速度測試,這部分信號應該采取措施避免或消除,而對于加速度傳感器的研究,傳感器的這類響應的認識與分析可有助于研究沖擊環(huán)境下傳感器的失效及傳感器結構的改進。

數(shù)值模擬信號與實測信號對比結果顯示,沖擊塊模型的加速度與實測加速度吻合較好,驗證了傳感器所感受到的加速度信號與沖擊塊撞擊所產(chǎn)生的加速度信號的一致性。