中低频冲击响应谱测量技术综述

曾泽璀， 闫　明， 赵鹏铎， 张　磊

(1.沈阳工业大学 机械工程学院, 辽宁 沈阳 110870；2.海军装备研究院， 北京 100073)



中低频冲击响应谱测量技术综述

曾泽璀1， 闫明1， 赵鹏铎2， 张磊2

(1.沈阳工业大学 机械工程学院, 辽宁 沈阳 110870；2.海军装备研究院， 北京 100073)

实战中海军舰艇的抗冲击能力是极其重要的作战性能指标，而冲击响应谱则是设计爆炸冲击防护的基础，完整正确的冲击响应谱对分析受冲击系统的本身特性有着十分重要的作用，能够暴露出海军舰艇在材料结构和工艺方面的缺陷。为了进一步保证在低频区域冲击响应谱测量值的准确性，从而更好判断舰艇设备的抗冲击性能，系统梳理了中低频冲击谱测量研究的研究现状、问题对策和发展前景。首先对传感器测量中低频冲击谱时存在问题及解决方法进行综述；并对新型加速度计结构及原理进行分析；同时对低频冲击谱传统测量仪器的改进结构及测量方法进行阐述；最后对目前中低频冲击谱测量技术进行总结并展望未来。

冲击响应谱冲击系统测量值新型加速度计

0　前言

在国际竞争中，丰富的海洋资源造成各种错综复杂的利益关系，海上局部冲突也异常的频繁，大规模海战也发生多次，比如1967年的第三次中东海战，1982年的英阿马海战以及历时8年的两伊战争期间的海上冲突等[1]。海战中舰艇不可避免会遭受水雷、深水炸弹等反舰武器的接触或非接触爆炸攻击。随着精确制导技术的发展，使武器命中率显著提高，毁伤能力不断增强，舰艇的冲击环境更为恶劣。舰载设备是舰艇抗冲击能力的薄弱环节，其抗冲击性能的高低，直接影响到舰艇的作战效能。实战中海军舰艇的抗冲击能力是极其重要的作战性能指标，而冲击响应谱则是设计爆炸冲击防护的基础[2]。

n个单自由度的无阻尼的质量系统在施加特定冲击的条件下，测出这些质量的最大响应并绘制成图形。可以看出，某些质量的响应很大，某些则很小。把每个谐振频率上的最大响应标注出来，就可以得出一个谱，这个谱就称为在这个特定冲击下的冲击响应谱。

完整正确的冲击响应谱对分析受冲击系统的本身特性有着十分重要的作用，能够暴露出海军舰艇在材料结构和工艺方面的缺陷[3]。冲击谱分为低频、中频和高频三个频段。现阶段中频和高频范围内的冲击响应谱的测量技术已经十分成熟，但低频段冲击响应谱的测量精度还有待提高。

本文的目的在于从多个角度，对国内外有关中低频冲击谱测量的研究现状和成果进行梳理和介绍，从而为以后开展更为深入的研究提供借鉴与参考。

1　加速度计频率特性扩展

在冲击响应谱的测量中，压电晶体加速度传感器是最常用的传感器，其具有重量轻、体积小、测量频域范围宽等优点。在测量结构的加速度时，压电晶体加速度传感器可以正常使用。但是，当压电晶体加速度传感器用于测量受到强冲击载荷作用的结构加速度时，特别是测量像钢的相互碰击、爆炸等强冲击输入负荷时，其测量加速度曲线在低频段往往有零漂。冲击谱是一种连续谱，其频率范围从零到无穷大，所以用压电加速度传感器测量冲击运动，将不可避免地会产生误差，这种误差称为频率误差[4-5]。

在冲击响应谱的测量中，零漂是指在强冲击响应测量中，当外加瞬态加速度消失后，压电晶体加速度传感器的输出不返回到零值，而仍有一直流输出。引起零漂的原因是多方面的，零漂的机理很复杂，解释也有各种各样。比较合理的解释是压电晶片在受到较大的压力后，尽管压力已经消失，但晶体内部仍有残余应力存在，因此还会有一个输出讯号。有零漂的加速度信号其幅值分散度很大。一旦信号含有零漂成分，则低频段的冲击谱测量值要比实际值大一、二个数量级，从而导致错误的加速度信号。

1.1机械滤波器

只有解决压电晶体加速度计在强冲击作用下产生的零漂现象，才能在冲击测量中获得完整准确的加速度时域曲线，从而绘制出完整准确的冲击响应谱。传统的机械滤波器由底座、安装块和弹性阻尼材料三部分组成，如图1所示。它实质上是安装在冲击输入物体和加速度计之间能有效地组织高频加速度分量传给加速度计的“缓冲器”[6]。

1981年，我国在进行实船水下爆炸试验时使用了由丹麦B&K公司生产的UA0059型机械滤波器，结构如图2所示[7]。通过本次试验证明加装机械滤波器可以过滤复杂冲击载荷在设备基础位置产生的高频大幅值加速度信号，从而减少零漂现象。但是，UA0059型机械滤波器由于自身的结构特点，使得其抗拉强度低，横向刚度高。在强横向冲击下，加速度计会发生横向转动，从而影响垂向精度。陈辉等人提出一种新型机械滤波器，其结构原理如图3所示。压电晶体传感器设置在外罩与下夹片之间，中间垫橡皮作为弹性元件。垂直方向上的橡皮刚度可以通过调整橡皮的初始压缩量来改变。水平方向不受任何约束，因此水平方向的刚度可以远小于垂直方向的刚度。这种新型机械滤波器在结构上既保证压缩强度又保证拉伸强度。由于取消传感器与滤波器之间的螺纹连接方式，因此该滤波器的使用范围比较广泛。同时，利用多项式函数修正和Hilbert-Huang变换对加速度数据进行后处理，也有利于减少零漂现象[8]。

图1　机械滤波器结构简图

图2　UA0059型机械滤波器结构示意图

图3　新型夹紧式机械滤波器结构示意图

为了验证新型机械滤波器是否能较好地改善加速度计在受强冲击后出现的零漂现象，在实验室内和野外试验现场对不同型号的压电晶体加速度传感器分别作了试验，并对试验结果进行对比分析。对三个国家5种型号的加速度计的试验对比，分析结果表明，在压电晶体加速度传感器上安装新型机械滤波器进行冲击测量，可以较好地改善加速度计的零漂现象。

1.2速度型拾振器低频特性拓展

随着大型工程设备的出现，超低频和大振幅的工程振动测量成为了现代工程领域一个重要的工程问题。压电晶体加速度计可以准确地测量高频段的加速度时间历程曲线，对低频段的测量需要采用其他测量仪器，如普通式低频位移摆速度传感器和伺服式加速度计。但是普通式低频位移摆速度传感器体积大，弹性元件易损，摆平衡位置和摆自振周期受温度影响大，对实验环境要求较高；伺服式加速度计虽然能测量零频，但其加速度分量小，加速度曲线对时间进行二次积分后获得的位移曲线，影响测量精度。因此设计出一种适应复杂环境的低频振动速度及位移传感器十分重要。

无源伺服技术通过增加拾振器系统的质量来降低系统固有频率，从而拓展低频测量范围。而有源伺服技术通过改变拾振器系统的质量，来调节系统阻尼，从而可以测量大幅度振动。利用闭环极点补偿技术可以方便地抵消拾振器原机械系统的传递函数，从而建立新的传递函数，达到拓展拾振器低频特性和扩大测量量程的目的[9-11]。

2　新型中低频冲击谱测量机构

压电晶体加速度计可以准确地测量高频段的加速度时间历程曲线，而针对低频段，在传统冲击响应谱测量方法中通常采用一些专业冲击谱测量仪器来准确测量低频谱响应值，如簧片仪和低频振子。簧片仪为一组自由端部带集中质量的悬臂梁，悬臂梁固定端在冲击载荷作用下，通过记录悬臂梁自由端集中质量与基础之间的相对运动参数，并对其信号滤波后进行等效计算获得冲击响应值。而低频振子由一系列不同固有频率的弹簧-质量块系统组成，弹簧固定端在冲击作用下通过测量质量块响应值获得低频冲击谱测量值。

2.1大负荷低中频三向簧片仪

传统簧片仪测量频率范围主要为5 Hz～10 Hz。当其固有频率小于5 Hz时，悬臂式簧片仪由于自由端发生较大位移后，固定端会发生应力集中，容易造成其失稳，而且也会使测量值严重失真，甚至簧片根部产生塑性变形导致仪器失效。因此，在强冲击载荷作用下，如何确保簧片仪在冲击谱低频部分测量结果精度是一个工程问题。

2006年，孙伟星等人提出一种大负荷低中频三向簧片仪，其主要结构有机架、距离垫、簧片、质量划针组件、压套、长螺杆和划板，结构图如图5所示。其特点是在簧片仪机架的上端固定安装有一组呈纵、横向安装的长螺杆，每个长螺杆上都安装有一组簧片用于测量纵、横向冲击响应。这种簧片的自由端为自由悬挂状态，各簧片仪的最低固有频率为2.5 Hz。

图5　大负荷低中频三向簧片仪

这种悬挂式簧片仪，解决了传统竖杆式簧片由于响应不稳定影响测量结果的问题。这种新型大负荷低中频三向簧片仪能扩大冲击响应谱低频段测量量程，并且提高精度，具有结构简单，工作可靠性高等特点[12]。

2.2激光多普勒技术测冲击谱

对于簧片仪这种悬臂梁式的测量仪器，通常是在悬臂梁的根部贴应变片来测试根部应力或在悬臂梁的自由端安装加速度计测量加速度响应。这种情况下，当冲击当量大，容器变形剧烈时，会导致传感器脱落而无法进行正常测量[13-15]。

激光多普勒技术利用了光学多普勒效应和光外差技术，具有测量精度高、动态响应快、测量范围大等特点[16-17]。在实验室中，使用冲击台做小型冲击实验，使用激光多普勒技术来测量试验台和设备的冲击响应。由于激光多普勒技术能快速锁定运动目标，其信号频率与目标运动速度成线性关系，因此可以同时测定速度的大小和方向，不仅保证了冲击响应值的测量精度，还能避免接触式传感器在强冲击载荷作用下，发生失效或使用寿命减短等问题。

图6　光学系统结构图

3　总结

完整正确的冲击响应谱对分析受冲击系统的本身特性有着十分重要的作用，能够暴露出海军舰艇在材料结构和工艺方面的缺陷。

压电传感器在强冲击下存在的频率误差，即零漂，使其在测量低频冲击谱时获得了不准确的数值。通过在压电传感器上加装机械滤波器可以过滤复杂冲击载荷在设备基础位置产生的高频大幅值加速度信号，从而减少零漂现象，保证使用压电传感器测量低频冲击谱时，测试数据是准确的。

除了压电加速度计，941B型测振仪也克服了以往速度型测振仪测量频域窄、量程范围小的缺点，借用自身结构特点，分别通过改变电磁阻尼比、电子阻尼比以及电子刚度等参数，扩展了加速度计低频频段的测量量程。

大负荷低中频三向簧片仪是为了克服传统簧片仪由于在大挠度变形下，根部应力过大会发生失稳和断裂而设计的一种悬挂式簧片仪。这种新型结构使得簧片仪可以测量低至2.5 Hz点的冲击谱响应。

激光多普勒技术可以不接触被测物体就能获得准确测量数据。相比过去直接接触式测量冲击谱的方式，在强烈冲击载荷作用下，可以保证测量仪器不受损坏，提高测量仪器的使用寿命，也可以准确获得低频段的冲击谱测量数据。

测量中低频冲击谱的方法不断被改进和完善，从加速度计、941B型测振仪到新型簧片仪和激光多普勒技术都为描述测点冲击环境的准确性提供了可靠测量技术。随着科技进步，更复杂的冲击环境不断出现，使用多种测量技术同时测量冲击环境并相互纠正测量数据已屡见不鲜。简单便捷的新型测量技术方法需要进一步挖掘，来适应各种复杂冲击环境的测量并保证准确性，这对提升海军舰艇的抗冲击能力至关重要。

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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

青年科学基金项目(编号：11302259)。

曾泽璀(1992-)，男，硕士研究生，研究方向为冲击谱测量。

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