提取電子設(shè)備沖擊響應(yīng)時(shí)域特征參數(shù)的方法

任建峰

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所，成都 610036）

引言

沖擊作為振動(dòng)環(huán)境的一個(gè)特例，主要特點(diǎn)體現(xiàn)為加速度峰值大，作用時(shí)間很短，主脈沖持續(xù)時(shí)間只有幾至幾十毫秒[1]。不同類型和用途的電子設(shè)備在其生命周期內(nèi)不可避免受到不同量級(jí)的沖擊作用。如手持電子設(shè)備的跌落沖擊、車載電子設(shè)備的碰撞沖擊、航天器及運(yùn)載器電子設(shè)備的火工品爆炸沖擊等。沖擊載荷常會(huì)導(dǎo)致電子設(shè)備產(chǎn)生不同程度的損傷或失效[2]（如晶振斷裂、焊點(diǎn)脫落等），在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)過程中需要有針對(duì)性地進(jìn)行抗沖擊能力評(píng)估和設(shè)計(jì)。而進(jìn)行抗沖擊能力評(píng)估和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)就是了解電子設(shè)備受到的沖擊載荷。因此，提取可以直觀表征沖擊載荷的電子設(shè)備沖擊響應(yīng)時(shí)域特征參數(shù)就具有重要意義。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，有關(guān)提取電子設(shè)備沖擊響應(yīng)時(shí)域特征參數(shù)的方法的公開文獻(xiàn)較少見。文獻(xiàn)[3]的附錄A中給出了沖擊響應(yīng)的描述方法和沖擊有效持續(xù)時(shí)間的定義，但并未針對(duì)具體的提取方法進(jìn)行描述。賀向清等提出一種基于時(shí)域沖擊面積的固體發(fā)動(dòng)機(jī)跌落時(shí)沖擊試驗(yàn)處理方法，實(shí)現(xiàn)了半正弦波峰值和脈寬處理的自動(dòng)化、標(biāo)準(zhǔn)化，該方法適用于處理類正弦波的沖擊響應(yīng)數(shù)據(jù)，無(wú)法處理任意波形的沖擊響應(yīng)數(shù)據(jù)。張宇曦等[5]利用頻譜分割方法，通過將加速度信號(hào)分解為多個(gè)模態(tài)，有效地提取到了火炮的頻域沖擊特征，該方法時(shí)時(shí)頻方法，用于火炮故障的識(shí)別，無(wú)法用于提取電子設(shè)備沖擊響應(yīng)時(shí)域特征參數(shù)。潘高元等[6]利用同步擠壓S 變換SSST的信號(hào)處理方法，有效地從滾動(dòng)軸承故障信號(hào)中提取出沖擊特征，該方法同樣是頻域方法無(wú)法用于提取電子設(shè)備沖擊響應(yīng)時(shí)域特征參數(shù)。綜上所述，公開的研究成果無(wú)法直接用于提取電子設(shè)備沖擊響應(yīng)時(shí)域特征參數(shù)的方法，需要進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)研究工作，建立完整的提取電子設(shè)備沖擊響應(yīng)時(shí)域特征參數(shù)的方法。

本文擬在文獻(xiàn)[3]中附錄A 的基礎(chǔ)上，以電子設(shè)備沖擊實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的沖擊時(shí)域響應(yīng)數(shù)據(jù)為入口，分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的一般特性，進(jìn)一步明確表征電子設(shè)備沖擊響應(yīng)時(shí)域特征參數(shù)，構(gòu)建一套完整的提取電子設(shè)備沖擊響應(yīng)時(shí)域特征參數(shù)的方法，并編制計(jì)算機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備沖擊響應(yīng)時(shí)域特征參數(shù)的自動(dòng)提取。

1 沖擊時(shí)域響應(yīng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

工程上電子設(shè)備產(chǎn)品的耐沖擊環(huán)境性能需要通過沖擊試驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)。沖擊時(shí)域響應(yīng)可以通過由高速數(shù)據(jù)采集儀、傳感器和計(jì)算機(jī)構(gòu)成的測(cè)量系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行采集、記錄。一個(gè)典型的電子設(shè)備沖擊時(shí)域響應(yīng)加速度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖1 所示。該沖擊時(shí)域響應(yīng)呈單峰特征[7]，明顯有3 個(gè)分段構(gòu)成：分段I：沖擊前分段，該分段記錄了沖擊試驗(yàn)中沖擊載荷施加前的一段時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)采集儀記錄的本底噪聲數(shù)據(jù)；分段II：沖擊中分段，該分段記錄了沖擊載荷施加后，響應(yīng)達(dá)到峰值并迅速衰減的整個(gè)過程；分段III，沖擊后分段，該分段記錄了沖擊施加后的殘余響應(yīng)數(shù)據(jù)，理想情況下，分段I 和分段III 的數(shù)據(jù)基本一致。

圖 1 沖擊時(shí)域響應(yīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)示例

然而，部分情況下，由于電子設(shè)備產(chǎn)品復(fù)雜動(dòng)態(tài)特性的影響，可能在分段III 中出現(xiàn)峰值遠(yuǎn)小于分段II 中峰值的二次脈沖。工程經(jīng)驗(yàn)表明該二次脈沖對(duì)電子設(shè)備造成損傷可以忽略。本文中經(jīng)主要針對(duì)典型的沖擊時(shí)域加速度響應(yīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)開展后續(xù)研究工作。

2 沖擊響應(yīng)時(shí)域特征參數(shù)

文獻(xiàn)[3]中指出沖擊響應(yīng)的時(shí)域特征可以用幅值和持續(xù)時(shí)間來(lái)描述。以此為基礎(chǔ)，結(jié)合特征參數(shù)的物理含義與電子設(shè)備的沖擊時(shí)域響應(yīng)的具體特性來(lái)確定電子設(shè)備沖擊響應(yīng)的時(shí)域特征參數(shù)。

幅值方面，由于電子設(shè)備的沖擊時(shí)域響應(yīng)是時(shí)間的任意函數(shù)，不能用典型的周期性脈沖來(lái)描述，這樣用來(lái)描述周期性脈沖的幅值就不適合作為電子設(shè)備的沖擊時(shí)域響應(yīng)的特征參數(shù)。然而考慮到周期性脈沖幅值的物理意義實(shí)質(zhì)上是整個(gè)脈沖周期的峰值。推廣這個(gè)概念到電子設(shè)備的沖擊時(shí)域響應(yīng)，這里用沖擊峰值作為沖擊響應(yīng)的時(shí)域特征參數(shù)之一。沖擊峰值定義為整個(gè)沖擊時(shí)域響應(yīng)數(shù)據(jù)中的絕對(duì)最大值，記為Ap。

持續(xù)時(shí)間方面，文獻(xiàn)[3]給出了兩種定義：①包含絕對(duì)值超過1/3 最大峰值A(chǔ)p的所有時(shí)間歷程幅值所對(duì)應(yīng)的最小時(shí)間長(zhǎng)度；②包含至少90 %的大小超過最大均方根幅值10 %的均方根時(shí)間歷程幅值所對(duì)應(yīng)的最小時(shí)間長(zhǎng)度。工程應(yīng)用中，也可以用目視方法確定有效持續(xù)時(shí)間[8]。綜合考慮電子設(shè)備的沖擊時(shí)域響應(yīng)復(fù)雜性和衰減延遲特點(diǎn)，并結(jié)合文獻(xiàn)[3]中的兩個(gè)定義和目視法，這里將持續(xù)時(shí)間取為包含所有絕對(duì)值不小于沖擊峰值A(chǔ)p10%的局部峰值的最小時(shí)間段，記為Te。

3 特征參數(shù)的提取方法及程序

3.1 特征參數(shù)提取方法

基于前述分析和定義，提出對(duì)沖擊響應(yīng)的時(shí)域特征參數(shù)思路：遍歷實(shí)測(cè)時(shí)間歷程數(shù)據(jù)，獲取最大沖擊峰值A(chǔ)p 以及峰值前第一個(gè)幅值為10 %Ap的時(shí)刻（記為起始時(shí)刻T1）和峰值后最后一個(gè)幅值為10 %Ap的時(shí)刻（記為結(jié)束時(shí)刻T2），則持續(xù)時(shí)間Te= T2- T1。具體地這個(gè)過程包括4 個(gè)步驟：①對(duì)沖擊響應(yīng)時(shí)域?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；②抽取經(jīng)預(yù)處理的沖擊響應(yīng)時(shí)域?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)的所有局部峰值，構(gòu)成局部峰值變量，并提取沖擊峰值A(chǔ)p；③以沖擊峰值為分割點(diǎn)，分別對(duì)局部峰值向量的上升段和下降段進(jìn)行單調(diào)化；④按照第2 節(jié)中持續(xù)時(shí)間Te的定義，從單調(diào)化的局部峰值向量中提取特征參數(shù)Te。

3.1.1 沖擊響應(yīng)時(shí)域?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理

沖擊響應(yīng)時(shí)域?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)中不可避免的存在零飄、噪聲等因素的干擾，需要對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以排除零飄、噪聲等因素的影響。本文中預(yù)處理主要依次完成去除零飄、絕對(duì)值化和去除噪聲三項(xiàng)工作。

零飄是測(cè)量傳感器本身的原因?qū)е碌?，一般可以通過補(bǔ)償或測(cè)試前清除。如果由于疏忽零飄引入了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中，就需要將零飄從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)清除。零飄清除是通過直接在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中減去零飄值。本文中根據(jù)電子設(shè)備沖擊響應(yīng)時(shí)域?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，取分段I 中某段數(shù)據(jù)的均值作為零飄值。

對(duì)去除零飄的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行絕對(duì)值化操作，將電子設(shè)備沖擊響應(yīng)時(shí)域?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)中的小于0 的值全部取正。這樣為后續(xù)去除噪聲和提取沖擊峰值A(chǔ)p提供便利。經(jīng)過去除零飄和絕對(duì)值化的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的噪聲變?yōu)閱蜗蛟肼暎@里采用數(shù)值低于噪聲水平的數(shù)據(jù)置零的方式去除噪聲。噪聲水平界定為沖擊峰值A(chǔ)p的1 %。圖 2 是預(yù)處理前后的數(shù)據(jù)示例。

圖2 預(yù)處理前后的數(shù)據(jù)示例

3.1.2 提取局部峰值變量和沖擊峰值

針對(duì)預(yù)處理后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)提取其所有局部峰值，并構(gòu)建局部峰值變量。在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)當(dāng)某個(gè)數(shù)據(jù)值均大于與其相鄰的兩個(gè)數(shù)據(jù)值時(shí)，數(shù)據(jù)值就是一個(gè)局部峰值，記錄該局部峰值及其出現(xiàn)的時(shí)刻。遍歷整個(gè)預(yù)處理后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，就得到了預(yù)處理后的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)局部峰值變量，最大的局部峰值即為沖擊峰值A(chǔ)p。圖 4 示例了從預(yù)處理后的響應(yīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（圖中灰虛線）提取的局部峰值變量（圖中粗實(shí)線）。局部峰值變量構(gòu)成了預(yù)處理后響應(yīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的輪廓或包絡(luò)。

3.1.3 局部峰值變量單調(diào)化

局部峰值變量以峰值為分界，可分為上升段和下降段，并且在上升段和下降段局部峰值并不是沿時(shí)間軸單調(diào)的。顯然，這不利于迅速、準(zhǔn)確找到時(shí)刻T1和時(shí)刻T2。因此需要對(duì)局部峰值變量的上升段和下降段進(jìn)行單調(diào)化處理，使其沿時(shí)間軸單調(diào)，即在上升段前一時(shí)刻的局部峰值小于后一時(shí)刻的局部峰值，反之亦反之。

對(duì)上升段，首先記錄第一個(gè)局部峰值和對(duì)應(yīng)時(shí)刻，并將這個(gè)局部峰值幅值給一個(gè)中間變量，然后將第二個(gè)局部峰值與中間變量值進(jìn)行比較，當(dāng)?shù)诙€(gè)局部峰值小于中間變量值時(shí)，不改變中間變量值，其他情況下，更新記錄該局部峰值和對(duì)應(yīng)時(shí)刻，并更新中間變量值。不斷重復(fù)這個(gè)步驟，直至達(dá)到?jīng)_擊峰值A(chǔ)p。更為形象地這個(gè)過程的流程如圖 3 所示。

同樣的方法可以用以對(duì)下降段進(jìn)行單調(diào)化處理。圖4 是單調(diào)化后的局部峰值變量示例（黑色圓點(diǎn)標(biāo)記的點(diǎn)劃線）。單調(diào)化后的局部峰值變量實(shí)質(zhì)是預(yù)處理后響應(yīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的峰值包絡(luò)。

圖4 局部峰值示例

3.1.4 提取特征參數(shù)Te

沖擊響應(yīng)持續(xù)時(shí)間Te，通過求沖擊的結(jié)束時(shí)刻T2和沖擊的起始時(shí)刻T1的差值獲取。沖擊的起始時(shí)刻T1需要在單調(diào)后的局部峰值變量的上升段中以差值方式獲得，沖擊的結(jié)束時(shí)刻T1需要在單調(diào)后的局部峰值變量的下降段中以插值方式獲得，如圖 5 所示，具體插值過程可以采用已有算法和工具這里限于篇幅不再贅述。

圖5 持續(xù)時(shí)間Te 提取示意圖

3.2 編制計(jì)算機(jī)程序

利用編程語(yǔ)言將4.1 節(jié)的沖擊響應(yīng)時(shí)域特征參數(shù)提取方法編制成計(jì)算機(jī)程序，整個(gè)程序封裝成一個(gè)主函數(shù)，其輸入為沖擊響應(yīng)時(shí)域?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)，輸出為沖擊響應(yīng)時(shí)域特征參數(shù)。去零飄、絕對(duì)值化、去噪聲等預(yù)處理功能和構(gòu)成局部峰值變量并提取沖擊峰值A(chǔ)p、局部峰值變量單調(diào)化以及提取沖擊持續(xù)時(shí)間等功能均封裝為子函數(shù)。主函數(shù)通過調(diào)用這些子函數(shù)實(shí)現(xiàn)沖擊響應(yīng)時(shí)域特征參數(shù)提取操作。圖 6 是本文計(jì)算機(jī)程序的流程圖。

圖 3 上升段單調(diào)化流程圖

圖6 流程圖

4 不同方法提取的特征參數(shù)對(duì)比

為了驗(yàn)證本文沖擊響應(yīng)時(shí)域特征參數(shù)提取方法正確性，這里將對(duì)4 組電子設(shè)備沖擊響應(yīng)時(shí)域?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)（圖 7）同時(shí)使用本文方法和使用文獻(xiàn)[3]沖擊持續(xù)時(shí)間定義（2）進(jìn)行的時(shí)域特征參數(shù)提取，并將結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。沖擊峰值A(chǔ)p方面兩種方法得到的結(jié)構(gòu)是相同的，這里不再對(duì)比。僅將沖擊持續(xù)時(shí)間Te的結(jié)果列在表 1 中比較，并以文獻(xiàn)[3]方法得到結(jié)果為基準(zhǔn)進(jìn)行相對(duì)誤差計(jì)算。

圖7 沖擊響應(yīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

表 1 數(shù)據(jù)顯示本文方法得到?jīng)_擊持續(xù)時(shí)間參數(shù)與文獻(xiàn)[3]中沖擊持續(xù)時(shí)間定義（2）得到?jīng)_擊持續(xù)時(shí)間參數(shù)相對(duì)誤差很小，絕對(duì)差距也很小，但本文方法得到?jīng)_擊持續(xù)時(shí)間稍短。數(shù)據(jù)對(duì)比本文提出的方法是正確的、可信的。

表1 沖擊持續(xù)時(shí)間Te 比較

5 結(jié)束語(yǔ)

本文分析了電子設(shè)備沖擊響應(yīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)；明確了沖擊響應(yīng)的2 個(gè)時(shí)域特征參數(shù)：沖擊峰值A(chǔ)p和沖擊持續(xù)時(shí)間Te；提出了一種提取電子設(shè)備沖擊響應(yīng)時(shí)域特征參數(shù)方法，主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、構(gòu)成局部峰值變量和沖擊峰值A(chǔ)p、局部變量單調(diào)化以及提取沖擊持續(xù)時(shí)間Te四個(gè)步驟；編制了計(jì)算機(jī)程序，取得了與文獻(xiàn)[3]中沖擊持續(xù)時(shí)間定義（2）相近的結(jié)果。由于本文方法不用依賴人員經(jīng)驗(yàn)選定時(shí)間間隔、反復(fù)計(jì)算時(shí)間歷程均方根值，提高了效率、節(jié)約了計(jì)算資源。