基于超聲陣列的云爆燃料濃度分布評(píng)估試驗(yàn)方法

張曉冬， 孫君， 付勝華，， 婁文忠， 李楚寶

(1.西安機(jī)電信息技術(shù)研究所， 陜西 西安 710065； 2.北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院， 北京 100081)

0 前言

固液混合燃料空氣炸藥(FAE)爆炸拋撒形成的燃料云霧作為體積爆轟的非均相爆炸源，特別是固液混合FAE，其云霧形態(tài)控制以及起爆技術(shù)一直是提高FAE云霧爆轟威力的關(guān)鍵[1-2]。由于FAE爆炸爆炸拋撒過(guò)程的復(fù)雜性，目前工程試驗(yàn)仍是主要研究手段。Samirant等[3]利用高速/超高速圖像以及壓力陣列等測(cè)試技術(shù)分析了固液混合燃料的速度、燃料的破碎及汽化過(guò)程的粒徑分布濃度和等重要參數(shù)；Dobbins等[4]和Labbé等[5]采用光學(xué)傳感器在云霧中的傳播特性，獲得了燃料濃度、粒徑參數(shù)特征；針對(duì)FAE云霧的氣固混合特性，結(jié)合超聲的衰減和相變理論，進(jìn)行的氣固兩相物顆粒大小、濃度檢測(cè)應(yīng)用[6-7]，婁文忠等[8]建立了超聲云霧濃度檢測(cè)方法與技術(shù)，采用20 L標(biāo)準(zhǔn)燃料爆轟罐，進(jìn)行了鋁粉的濃度檢測(cè)[9]與分布評(píng)估[10]，以及1 kg燃料拋撒的濃度峰值變化規(guī)律[11]。

針對(duì)FAE燃料濃度分布的理論與探測(cè)研究，作為FAE拋撒云霧形態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)，陳騰飛[12]探索并建立了FAE燃料拋撒云霧分布仿真模型，揭示了在高落速FAE云團(tuán)內(nèi)部的燃料濃度變化；潘曉建等[13]建立了脈沖超聲的FAE燃料云霧濃度檢測(cè)裝置，擬合得到了超聲衰減系數(shù)與濃度之間的關(guān)系曲線；付勝華等[14]進(jìn)行了云爆彈燃料動(dòng)態(tài)拋撒云團(tuán)與子引信高速交會(huì)的燃料濃度探測(cè)，對(duì)確定二次引信起爆控制提供了技術(shù)與數(shù)據(jù)支撐。

然而，上述研究主要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，且云霧為粒子態(tài)，對(duì)于固液混合態(tài)FAE的拋撒濃度分布，云霧形成包含了固液混合聚合態(tài)至離散態(tài)的復(fù)雜過(guò)程，云霧內(nèi)部燃料濃度動(dòng)態(tài)分布的研究仍處于起步階段。僅有部分文獻(xiàn)獲得了燃料分散云霧場(chǎng)濃度分布的數(shù)值結(jié)果,且包含很多假設(shè)條件[15-17]，而爆炸拋撒燃料形成的云霧場(chǎng)濃度分布研究少有涉及，且缺乏試驗(yàn)分析。本文針對(duì)此問(wèn)題，提出了基于脈沖超聲陣列的云爆燃料拋撒濃度分布評(píng)估方法。

1 FAE云霧濃度分布評(píng)估方法

進(jìn)行FAE拋撒燃料的云團(tuán)濃度分布評(píng)估中，相關(guān)頻率的超聲衰減可以通過(guò)在云團(tuán)中傳播樣本的響應(yīng)和參考信號(hào)的響應(yīng)特性來(lái)確定，如圖1所示。圖1中，D為超聲傳感器直徑，L為超聲在云霧中的傳播距離。

圖1 超聲在FAE燃料云霧中衰減示意圖

本文通過(guò)一組窄帶脈沖用作超聲換能元的發(fā)射器激勵(lì)信號(hào)，形成中心頻率為200 kHz[9-10]的超聲脈沖，如圖2所示。

圖2 脈沖超聲時(shí)域信號(hào)

假設(shè)測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng)是線性的，超聲信號(hào)在空氣中的參考信號(hào)如下：

Aa(f)=A0(f)ADa(f)

(1)

式中：A0(f)為超聲信號(hào)在發(fā)送和接收換能器間的響應(yīng)函數(shù)；ADa(f)為超聲波在空氣中傳播函數(shù)；f為對(duì)應(yīng)的超聲中心頻率。

超聲穿過(guò)燃料云團(tuán)的響應(yīng)函數(shù)可以表示為

Ad(f)=A0(f)T(f)ADd(f)e-a(f)d

(2)

(3)

式中：T(f)為超聲衰減系數(shù)；ADd(f)e-a(f)d表征超聲在云霧中的響應(yīng)函數(shù)，-a(f)d描述了由于云霧中燃料粒徑d引起的衰減；Za(f)和Zd(f)分別是空氣和燃料粒子的聲阻抗，ρa(bǔ)和ρd是相對(duì)應(yīng)的密度，Va和Vd是超聲在空氣和燃料粒子中的速度。

超聲衰減α(f)用對(duì)數(shù)表示在空氣與云霧中傳播的比例，定義為

(4)

超聲衰減由窄帶脈沖中心頻率f下的最大峰值的比率確定，得到脈沖超聲隨時(shí)間變化的離散衰減曲線，表征燃料濃度變化特性。

(5)

通過(guò)測(cè)得的超聲衰減系數(shù)，可以進(jìn)一步表征燃料云團(tuán)的密度ρd，即濃度。然而，針對(duì)固液混合FAE的燃料(以微納鋁粉與液態(tài)環(huán)氧丙烷為例)，拋撒過(guò)程由固液聚合態(tài)至汽固液混合粒子離散態(tài)的轉(zhuǎn)變，其聲阻抗特性還需進(jìn)一步研究。本文以拋撒中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，陣列布置脈沖超聲傳感單元，通過(guò)多點(diǎn)的超聲衰減值，得到不同位置的燃料濃度隨時(shí)間的變化關(guān)系，形成燃料濃度分布評(píng)估方法。如圖3所示，將云爆燃料拋撒放置在距離地面高H0的支架上，布置三列超聲傳感器組構(gòu)成檢測(cè)矩陣[A10,A20,A30;B10,B20,B30，C10,C20,C30]，每組傳感器距離地面高度為H1、H2，傳感器陣列距離燃料拋撒中心分別為L(zhǎng)1、L2、L3。

圖3 超聲陣列燃料濃度分布評(píng)估試驗(yàn)組成圖

2 信號(hào)處理及分析

脈沖超聲在進(jìn)行燃料云霧濃度檢測(cè)時(shí)，除了接收到有效的衰減信號(hào)，此外還受到環(huán)境噪聲和其他復(fù)雜干擾源的影響。使用Hilbert-Huang變換(HHT)方法[18-19]將原始超聲脈沖信號(hào)簡(jiǎn)化為固有模態(tài)函數(shù)(IMF)，并生成相應(yīng)的能量譜,如圖4所示。

圖4 HHT變換能量譜

基于HHT初步獲得超聲信號(hào)譜，并從噪聲中有效識(shí)別信號(hào)并提取了其頻譜(見圖4紅色矩形框選區(qū))。隨后，得到原始信號(hào)有效的中心頻率f(f=200 kHz)時(shí)域信號(hào)，利用從HHT得到的邊緣譜，得到脈沖信號(hào)的幅值，進(jìn)行衰減計(jì)算，如圖5、圖6所示。

圖5 有效頻率特征提取

圖6 脈沖幅值提取

3 濃度分布評(píng)估試驗(yàn)

云爆燃料拋撒形成的燃料濃度分布試驗(yàn)以陣列布置脈沖超聲濃度檢測(cè)裝置；取一列傳感器(A10(2 m, 0 m)，A20(3.5 m, 0.5 m)，A30(5 m, 1 m))采集的信號(hào)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)燃料拋撒過(guò)程中的不同距離、不同厚度處的濃度特征，試驗(yàn)布置如圖7和圖8所示。

圖7 燃料濃度分布評(píng)估試驗(yàn)布置

圖8 試驗(yàn)布置現(xiàn)場(chǎng)

云爆燃料的參數(shù)如表1所示，在中心藥柱爆炸拋撒下的濃度分布過(guò)程如圖9所示。燃料初始形態(tài)主要為激波效應(yīng)，形成聚合態(tài)射流。隨著驅(qū)動(dòng)力減弱，慣性力主導(dǎo)下，燃料分解成一個(gè)離散態(tài)粒子群，濃度此刻分布相對(duì)均勻，一般作為二次起爆的時(shí)機(jī)。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

圖9 燃料擴(kuò)散形態(tài)

設(shè)置陣列脈沖超聲中心頻率為200 kHz,脈沖周期為500 μs,采樣頻率為2 MHz，采集信號(hào)如圖10所示：在A10(2 m，0 m)處超聲出現(xiàn)明顯的信號(hào)衰減，主要在于燃料在拋撒過(guò)程中，燃料濃度由聚合相大密度逐漸向離散相稀疏密度轉(zhuǎn)變，A20(3.5 m，0.5 m)、A30(5 m，1 m)處衰減相對(duì)減小，即燃料粒子分散濃度降低。

圖10 超聲信號(hào)采集

采用上述信號(hào)處理方法，對(duì)每一周期內(nèi)的脈沖超聲信號(hào)進(jìn)行衰減特征提取，即可得到燃料濃度隨時(shí)間擴(kuò)散過(guò)程中的變化特性；對(duì)陣列元A10(2 m，0 m)、A20(3.5 m，0.5 m)、A30(5 m，1 m)不同位置處連續(xù)脈沖的超聲幅值衰減如圖11所示，表征燃料濃度在不同位置、時(shí)間的分布。

圖11 不同位置的濃度分布特征

由圖11可以看出：靠近拋撒中心的衰減比較大，依次為40%、20%和15%左右，初步可以得到靠近中心區(qū)的濃度初始值較高，擴(kuò)散至較遠(yuǎn)處的濃度分布相對(duì)均勻些，主要是靠近中心區(qū)的拋撒動(dòng)能逐漸衰減；同時(shí)，靠近中心區(qū)在拋撒動(dòng)能的擾動(dòng)下，部分脈沖超聲信號(hào)易受干擾，衰減信號(hào)被淹沒。

對(duì)不同位置處的燃料擴(kuò)散狀態(tài)及隨時(shí)間的變化特征進(jìn)行濃度分布評(píng)估，如圖12所示。云爆燃料由中心藥柱起爆拋撒的前40 ms，燃料在爆炸驅(qū)動(dòng)力的作用下，由凝聚相向離散相轉(zhuǎn)化過(guò)程中，與拋撒中心越遠(yuǎn)，超聲衰減系數(shù)越小，也即濃度越低，可以初步得到：

圖12 不同位置處燃料濃度分布曲線

1)距拋撒中心空間坐標(biāo)為A10(1 m, 0 m)點(diǎn)處，15～25 ms燃料濃度隨時(shí)間增大而增大，25～40 ms燃料濃度迅速下降可知，這是中心拋撒炸藥的爆生氣體產(chǎn)物膨脹到這個(gè)空間區(qū)域，由于氣體產(chǎn)物的低密度特點(diǎn)，超聲衰減量小，這段時(shí)間以前空間區(qū)域可稱之為拋撒炸藥產(chǎn)物“空洞區(qū)”；

2)40 ms之后，中心拋撒炸藥爆生產(chǎn)物的驅(qū)動(dòng)力迅速減弱，燃料在慣性力下擴(kuò)散，在60～80 ms 濃度達(dá)到最大，且此空間位置的濃度比偏離中心區(qū)0.5 m和1 m明顯均勻，適合做二次起爆引信位置，且二次起爆時(shí)間定為60～80 ms較為合適；

3)80 ms后，燃料濃度在湍流作用下波動(dòng)，但總體在重力下沉降，中心區(qū)域濃度逐漸減低；A20(3.5 m，0.5 m)點(diǎn)和A30(5 m，1 m)點(diǎn)偏離中心區(qū)的濃度衰減較快，也充分說(shuō)明了燃料主要集中在拋撒中心截面區(qū)。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)超聲信號(hào)表征不同位置的超聲在FAE拋撒燃料云團(tuán)中隨時(shí)間的衰減，進(jìn)行了燃料濃度分布評(píng)估方法與試驗(yàn)探索，具體包括：

1) 針對(duì)超聲在燃料云團(tuán)中受環(huán)境噪聲和其他復(fù)雜干擾源的影響，利用從HHT提取的中心頻率邊緣譜，獲得脈沖信號(hào)的幅值，進(jìn)行超聲衰減的計(jì)算。

2) 通過(guò)布置陣列式超聲檢測(cè)的燃料濃度分布評(píng)估試驗(yàn)系統(tǒng)，得到了不同位置的超聲在燃料云團(tuán)中隨時(shí)間的衰減曲線，有效表征了濃度的分布特性，得到了靜態(tài)拋撒下中心區(qū)濃度由低至高、再由高減低，偏離中心區(qū)濃度低的分布特點(diǎn)。

由于試驗(yàn)特點(diǎn)獲取的數(shù)據(jù)有限，為后期優(yōu)化試驗(yàn)、數(shù)據(jù)獲取與評(píng)估提供方法支撐，在FAE二次引信的最佳起爆時(shí)間與起爆位置決策提供模型支撐。