炸药水下爆炸信号特征分析

贾虎

（南阳师范学院土木建筑工程学院，河南 南阳 473061）

炸药水下爆炸信号特征分析

贾虎

（南阳师范学院土木建筑工程学院，河南 南阳 473061）

为了研究黑索金炸药水下爆炸性能，采用小波变换分析炸药水下爆炸试验数据，分别提取爆炸冲击波和气泡脉动两个不同时段信号进行能量与频率分析，结果表明：水下爆炸冲击波信号能量在频带上分布广泛，冲击波压力能量主要集中在120KHz以下，a8频带所占能量为19.9%，d5频带所占能量为21.6%，这两个频带为优势频带，集中了41.5%的能量；气泡脉动在97.6Hz以内频带能量占到能量的91.7%；水下爆炸冲击波能量和气泡脉动能量占总能量的比例依次为71.9%，28.9%。采用小波分析能很好的满足水下爆炸非平稳随机特征分布的要求，达到准确分析信号特征的目的。

黑索金炸药；水下爆炸；小波分析；能量分布

1 引言

炸药水下爆轰瞬间产生的能量使爆炸产物气泡瞬时达到高温高压，产生的冲击波、气泡脉动等会对水下目标造成毁伤［1］。研究炸药在水中爆炸的能量输出结构对分析水中兵器毁伤激励、研究目标冲击响应等具有重要意义。目前在水下爆炸压力测试中常采用电测法，这种测试方法能从测试曲线中获取指标参数和分析频率特性，对目标毁伤分析和防护有重要意义［2］。

炸药水下爆炸压力分析是研究炸药水下爆炸特性的基础。传统水下爆炸压力信号分析时往往采用时域分析方法，但是由于爆炸压力信号具有突变快、持时短等特点，是典型的非平稳信号［3］。本文在比较傅里叶变换、Gabor变换等不同的信号分析方法后提出基于小波变换的炸药水下爆炸信号处理方法，以揭示其水下爆炸信号特征。

2 炸药水下爆炸实验

炸药水下爆炸实验在直径5.5m，高3.6m，形状为圆柱形的水下爆炸试验水箱中进行。炸药装药形状为球形，起爆方式为中心起爆。传感器与药包在同一水平线上，入水深度为120cm。传感器采用HZP2-WA型水下爆炸压力传感器，它的最大量程为100MPa，输出经放大器放大后，电压灵敏度不小于10mV/MPa，非线性误差小于5%。示波存储器采用AGILENT公司， 54815A型号存储示波器，采样频率为500KHz，触发方式为压力传感器信号触发。实验系统的设置如图1所示。

图1 水下爆炸实验示意图

实验炸药药包与压力传感器的距离为70cm，药包炸药为黑索金，药包TNT当量为15g，药包形状为球形装药，装药密度为1g/cm3，起爆方式为中心起爆。实验测得的冲击波压力波形如图2所示，气泡脉动压力波形如图3所示。

图2 冲击波压力时程曲线

图3 气泡脉动时程曲线

从图2可以看出，测点处冲击波压力峰值为16.8MPa，压力由零上升至峰值的时间为6sµ，从峰值降至零的时间约为36sµ。从图3水下爆炸气泡脉动压力图像看出，气泡压力峰值为1.32MPa，气泡脉动周期为0.056s。

3 炸药水下爆炸信号小波分析

3.1 小波分解与重构

为了能够获得炸药水下爆炸信号的细节性质，提供频率成分的时间局部信息，采用Daubechies8小波函数对水下爆炸冲击波压力信号和气泡脉动信号分别进行离散小波变换。信号采样频率为500KHz，则由采样定律知其Nyquist频率为250KHZ，采用db8小波函数将信号分析到第8层，可获得9个频带的小波分解信号，对应的最低频带为0-0.9765625kHz。

图4 冲击波信号小波分解

利用db8小波基对冲击波信号进行分解，为验证小波分解后信号是否真实反映原信号，对其进行完全重构，重构信号与原信号的相对误差量级在10-11以上，完全能满足计算及分析要求。将9个频带分解系数重构后，得到的9个频带的冲击波分量时间历程曲线如图4所示。a8为小波分解重构信号的低频分量，d1-d8为高频分量。d2中1.63μs时幅值最大，为4.426Mpa，且明显高于各层细节信号的幅值，能流高度集中。d5-d8及a8的波形信号比较接近冲击波信号，振动幅值较大，能量主要集中在这部分。d1-d4的振动幅值波动较大，说明水下爆炸冲击波信号包含的频率成分比较丰富。

图5 气泡脉动信号小波分解

图5为气泡脉动小波分解结果，由d1～d5的细节系数可以看出，存在噪声信号干扰；d6～d8和a8的峰值出现在0.056s前后，这和气泡脉动信号峰值出现时间一致，反映了气泡脉动的主要特征，振动幅值较大，能量主要集中在这部分，这说明气泡脉动信号能量主要集中在低频段。

从图4和图5可以看出，基于小波变换的时频分析方法可以获得爆炸冲击波和气泡脉动在不同频带的分布与衰减的细节信息。

3.2 能量分布

为了进一步分析水下爆炸冲击波压力信号各频带能量分布情况，根据小波变换分层重构信号得到不同频带上水下爆炸冲击波和气泡脉动相对能量分布情况，如图6所示。

图6 冲击波频段能量分布图

图7 气泡脉动频段能量分布图

从图6可以看出，水下爆炸冲击波信号能量在频带上分布比较广泛，各个频带上都有，在前8个频带内，冲击波压力相对能量最大，占总能量的比例高达90.19%，说明冲击波压力主要集中在120KHz以下。a 8频带所占能量为19.9%，d5频带所占能量为21.6%，说明这两个频带为优势频带，集中了41.5%的能量。

图7气泡脉动能量在频带上分布比较窄，主要集中在a8和d8频带，这两个频带所占的能量比例高达99.19%，说明气泡脉动的能量主要集中在3.9KHz以内。a8频带所占能量为91.7%，即在97.6Hz以内频带能量最高。

图8 冲击波和气泡脉动信号各频带小波能量分布

据小波变换分层重构信号可以获得各阶段不同频率带上冲击波和气泡脉动的能量分布情况，如图8所示。水下爆炸冲击波能量和气泡脉动能量占总能量的比例依次为71.9%，28.9%。

3.3 时频谱分析

图9 冲击波小波时频谱

图10 气泡脉动小波时频谱

图9和图10为小波变换得到的冲击波和气泡脉动信号三维能量谱，红色部分表示相对能量较高。从图中可以看出小波时频谱能够表现出良好的局部化特征，小波时频谱上的能量呈分散特征，能量峰值对应的时刻与冲击波和气泡脉动时间曲线峰值对应时刻相同；而能量频率分布情况则和小波能量分析结果一致。

4 结论

开展黑索金炸药水下爆炸冲击波信号和气泡脉动信号特征研究，对小波重构信号能量分布及时频谱进行分析，得出结论如下：

（1）实验测的测点处冲击波压力峰值为16.8MPa，压力由零上升至峰值的时间为6µs，从峰值降至零的时间约为36µs；水下爆炸第一次气泡脉动压力峰值为1.32MPa，气泡脉动周期为0.056s；

（2）采用小波变换方法对炸药水下爆炸冲击波信号和气泡脉动信号进行分析，获得了二者在各频带上的压力-时间细节信号，在不同频带上相对能量分布情况及小波时频谱：水下爆炸冲击波信号能量在频带上分布广泛，冲击波压力能量主要集中在120KHz以下，a8频带所占能量为19.9%，d5频带所占能量为21.6%，这两个频带为优势频带，集中了41.5%的能量；气泡脉动在97.6Hz以内频带能量占到能量的91.7%；水下爆炸冲击波能量和气泡脉动能量占总能量的比例依次为71.9%，28.9%；

（3）依据小波分解原理，通过将冲击波信号和气泡脉动信号分解到不同频带上，能够很好的适应分析信号非线性、非平稳的特征，全面了解水下爆炸信号的频率分布和能量分布，以及信号的时频谱特征，更好的满足水下爆炸非平稳随机特征分布的要求。

［1］Cole R H. Underwater explosions ［M］. New Jersy： LISA，Princeton University Press， 1948：10-50.

［2］贾云飞， 张春棋， 康金. 爆炸冲击波信号测试与小波分析［J］. 弹箭与制导学报， 2014， 34（5）：86-89.

［3］贾虎， 沈兆武. 纤维爆炸索水下爆炸声信号特征的小波分析［J］. 振动与冲击， 2011， 30（09）：243-247.

O381

A

1003-5168（2015）11-068-03

国家自然科学基金项目（11202109；11304168）

贾虎（1980.3-），男，副教授，研究方向：土木工程。