CN113218997A - 一种炸药水下爆炸气泡脉动测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种炸药水下爆炸气泡脉动测试装置及方法，通过采用吸波材料板和与光测系统相配合的光通道，有效降低了压力测试曲线中的杂波，同时，提高了气泡表面亮度，使气泡运动边界更加清晰，减轻了爆炸产物对拍摄气泡清晰度的影响，采用本发明设计的装置能够实现不同类型炸药水下爆炸气泡脉动的测试，弥补了现有测试方法中无法在水下爆炸气泡脉动特性中体现不同炸药爆轰性能的缺点，为后续全面完整地水下爆炸机理分析及气泡毁伤机理分析提供实验结果支撑。

Description

一种炸药水下爆炸气泡脉动测试装置及方法

技术领域

本发明属于水下爆炸试验技术领域，具体涉及一种炸药水下爆炸气泡脉动测试装置及方法。

背景技术

水中爆炸是水中兵器最主要的毁伤手段，包括冲击波对舰船结构造成的严重局部破坏，以及气泡脉动过程对舰船造成的二次毁伤。炸药水中爆炸过程中气泡脉动所产生的气泡能约占总能量的一半，气泡脉动过程对舰船造成的毁伤主要包括以下两个方面，一是气泡脉动的过程会使靠近气泡的舰船底部受到气泡形状变化的影响，而发生鞭状起伏运动，使舰船总体结构发生损伤；二是气泡受到固壁面的影响在溃灭阶段所产生的指向船体底部的高速水射流，会使船体断裂。因此，水下爆炸气泡脉动的研究对于水下爆炸毁伤效应的研究、水下爆炸数据和结果的分析具有重大意义。

对水下爆炸气泡脉动的测试主要包括冲击波压力测试、气泡脉动压力测试和气泡边界运动轨迹测试。测试过程中，由于爆炸产生的冲击波对测试装置具有很强的破坏性，而且水下爆炸气泡具有短时间内迅速脉动、膨胀气泡较大等特点，因此，炸药水下爆炸气泡脉动测试的进行较为困难。

现有技术中，针对炸药水下爆炸测试的特点及困难，人们往往以使用电火花、激光等方式产生气泡来代替爆炸气泡，但受多个物理参量和爆轰参数的影响，不同炸药类型水下爆炸产生的气泡脉动特性是不同的，电火花、激光等方式产生的气泡并不能体现炸药的爆轰性能，因此不能得到不同炸药水下爆炸情况下气泡脉动的不同特性，不利于炸药水下爆炸气泡特性的研究以及水中兵器对结构体毁伤机理的研究。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种炸药水下爆炸气泡脉动测试装置及方法，针对炸药水下爆炸的特点，设计了测试系统、吸波材料板及净水系统，从而为各种类型炸药水下爆炸气泡脉动的测试提供了测试环境。

本发明提供的一种炸药水下爆炸气泡脉动测试装置，包括：水箱、定位机构、吸波材料板、爆源、配重、微型雷管、起爆线、起爆开关、脉冲信号发生器、反光板、高速摄像机、第一计算机、水下压力传感器、信号调理仪、高频数据采集仪及第二计算机；

其中，所述水箱的侧壁上对称开设两个透明耐压观察窗；所述水箱的内表面固定安装所述吸波材料板；所述高速摄像机放置于其中一个观察窗前，所述高速摄像机的中心与所述爆源的中心位于同一高度水平面；所述反光板放置于另一个观察窗前；

所述爆源为待测试炸药，所述爆源与微型雷管固定连接；所述爆源的上端通过雷管线与定位机构固定连接，爆源的下端与配重相连；所述雷管线与所述起爆线连接，所述起爆线与起爆开关相连；

所述水下压力传感器的上端通过信号线分别与定位机构固定连接、下端分别与配重相连；所述水下压力传感器安装在爆源的两侧，且与爆源具有相同的水平高度；所述水下压力传感器依次与信号调理仪、高频数据采集仪连接，将采集到的信号传递到第二计算机；所述第二计算机与所述脉冲信号发生器连接；

所述定位机构固定于所述水箱内部，使所述爆源位于所述水箱的几何中心；

所述高速摄像机分别与所述脉冲信号发生器及所述第一计算机连接。

进一步地，所述测试装置还包括两个无频闪大功率照明灯，所述无频闪大功率照明灯对称固定于所述水箱的顶部开口外；所述水下压力传感器包含两个、三个或四个水下压力传感器。

进一步地，所述测试装置还包括潜水泵、水管和过滤器；所述潜水泵竖直放置在所述水箱底部，通过所述水管与所述过滤器相连，所述过滤器悬垂于所述水箱侧壁内侧接近水面。

进一步地，所述观察窗采用透明亚克力材料板制作，厚度位于[20mm,30mm]区间内。

进一步地，所述吸波材料板为30mm厚的聚氨酯材料板。

进一步地，所述高速摄像机的拍摄频率取值在10000帧/秒到30000帧/秒的闭区间上；所述水下压力传感器的频率设置为3.325MHz。

本发明提供的一种炸药水下爆炸气泡脉动测试方法，包括以下步骤：

步骤1、向所述水箱中注水至设定位置；

步骤2、在所述水箱的中心位置放入标尺，保持标尺与所述水箱的上表面垂直；调整所述高速摄像机位置及焦距，以保证所述标尺在拍摄时处于竖直位置；

步骤3、将所述水下压力传感器固定在所述定位机构上；将所述爆源与微型雷管固定连接，并做防水处理后，固定于所述定位机构上；使所述水下压力传感器位于所述爆源的两侧，且所述水下压力传感器与所述爆源处于同一水平高度并保持设定的水平距离；将所述定位机构放入所述水箱中，使所述爆源位于水箱1的几何中心；

步骤4、设置所述脉冲信号发生器同步触发所述高速摄像机、高频数据采集仪及起爆开关的触发方式；

步骤5、确认所有实验人员撤离至安全范围，连接所述雷管线与所述起爆线，所述脉冲信号发生器同步触发，起爆。

进一步地，所述步骤4中的所述触发方式为下降沿触发。

进一步地，所述测试方法还包括单次实验后，采用净水剂(16)与虹吸管(13)对所述水箱(1)中的水体进行净水处理。

进一步地，所述步骤3的所述水下压力传感器(19)与所述爆源(4)处于同一水平高度并保持设定的水平距离中的所述水平距离取值在25倍装药半径到60倍装药半径的闭区间上。

有益效果：

本发明针对炸药水下爆炸的特点，设计了具有一定尺寸要求的吸波材料板和与光测系统相配合的光通道，吸波材料板有效减弱了有限水域中，炸药爆炸时冲击波反射对气泡边界运动的影响，降低了压力测试曲线中的杂波；光通道提高了气泡表面亮度，使气泡运动边界更加清晰，减轻了爆炸产物对拍摄气泡清晰度的影响，采用本发明设计的装置能够实现不同类型炸药水下爆炸气泡脉动的测试，弥补了现有测试方法中无法在水下爆炸气泡脉动特性中体现不同炸药爆轰性能的缺点，为后续全面完整地水下爆炸机理分析及气泡毁伤机理分析提供实验结果支撑。

附图说明

图1为本发明提供的一种炸药水下爆炸气泡脉动测试装置示意图。

图2为本发明提供的一种炸药水下爆炸气泡脉动测试装置的水箱结构示意图。

图3为本发明提供的一种炸药水下爆炸气泡脉动测试装置的框架图。

图4为本发明提供的一种炸药水下爆炸气泡脉动测试装置的水循环过滤装置示意图。

图5为本发明提供的一种炸药水下爆炸气泡脉动测试方法流程图。

其中，1-水箱，2-定位机构，3-吸波材料板，4-爆源，5-配重，6-微型雷管，7-起爆线，8-起爆开关，9-脉冲信号发生器，10-无频闪大功率照明灯，11-反光板，12-潜水泵，13-水管，14-过滤器，15-虹吸管，16-净水剂，17-高速摄像机，18-第一计算机，19-水下压力传感器，20-信号调理仪，21-高频数据采集仪，22-第二计算机。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行详细描述。

本发明提供的一种炸药水下爆炸气泡脉动测试装置及方法，其基本思想是：通过在水箱中增加吸波材料构建无限水域的模拟环境，在该模拟环境中通过布设水下压力传感器获取炸药水下爆炸时产生的压力，并通过在水箱外布设的高速摄像机获取炸药水下爆炸产生的气泡的情况，从而实现对各种类型炸药水下爆炸的气泡脉动的测试。

本发明提供的一种炸药水下爆炸气泡脉动测试装置，包括压力测试系统和气泡脉动测试装置，如图1所示，具体包括：水箱1、定位机构2、吸波材料板3、爆源4、配重5、微型雷管6、起爆线7、起爆开关8、脉冲信号发生器9、无频闪大功率照明灯10、反光板11、高速摄像机17、第一计算机18、水下压力传感器19、信号调理仪20、高频数据采集仪21及第二计算机22。

其中，水箱1，用于为待测试炸药提供水下爆炸的测试空间，如图2所示。水箱1的侧壁上对称开设两个透明耐压观察窗，由两个观察窗形成的光通道便于高速摄像机17更加清晰地拍摄到炸药爆炸产生的气泡。其中，为了便于观察和拍照，观察窗通常采用透明亚克力材料板制作，同时，根据待测试炸药的不同，观察窗的厚度也不相同，一般情况下设置为20mm～30mm厚。此外，观察窗也可采用多层防爆玻璃制作。进一步地，为了便于在试验过程中控制注水深度，可在观察窗上标记水位刻度线。

吸波材料板3，用于减弱有限水域中待测试炸药爆炸时冲击波反射对气泡边界运动的影响。吸波材料板3固定于水箱1的内表面上，例如可通过开设于水箱1内表面上的卡槽将吸波材料3固定在水箱1的内表面。例如，水箱1的尺寸为1.6m×1.6m×1.6m，在水箱1的内表面预置的凹槽内固定一层30mm厚的聚氨酯材料板，用作吸波材料，可以减弱冲击波反射对气泡脉动特性的影响。在这种环境下，可以进行药量均为1g的PETN、CL-20、RDX、HMX炸药的水下爆炸气泡脉动测试实验。

定位机构2，用于将爆源4的初始位置限定在水箱1的几何中心。定位机构2固定于水箱1内部，例如可通过将定位机构2的两端分别嵌入开设在水箱1侧壁内表面的卡槽内实现定位机构2的固定。

爆源4，为待测试炸药。爆源4与微型雷管6固定连接，并进行防水处理。爆源4的上端通过雷管线与定位机构2相连，爆源4的下端与配重5相连，配重5用于限定爆源4的初始位置。其中，雷管线穿过定位机构-2的中心孔，与起爆线7相连，雷管线的长度根据待测试炸药需要按照的高度确定。起爆线7与起爆开关8相连。

水下压力传感器19，用于测量待测试炸药爆炸时水中的压力。水下压力传感器19可为包含2～4个传感器的一组传感器，传感器通过信号线分别与定位机构2相连，位于爆源4的两侧，并均与爆源4具有相同的高度。水下压力传感器19与爆源4之间的距离根据实验要求，即待测试炸药的冲击波压力确定。水下压力传感器19通过连接线分别与配重相连，配重用于限定传感器的位置。水下压力传感器19通过依次与信号调理仪20、高频数据采集仪21连接，将采集到的信号传递到第二计算机22，由第二计算机22对数字信号进行处理。水下压力传感器19可采用PCB138水下压力传感器。第二计算机22与脉冲信号发生器9连接。

高速摄像机17，用于拍摄待测试炸药爆炸时产生的气泡。高速摄像机17放置于水箱1的一个观察窗前，高速摄像机17的中心位置与爆源4的中心位于同一高度水平面；同时，反光板11放置在水箱1的另一个观察窗前，根据漫反射的原理，反光板的角度没有特定要求，但需要覆盖整个拍摄气泡的拍摄背景。

高速摄像机17分别与脉冲信号发生器9及第一计算机18连接，其中，脉冲信号发生器9用于同步触发高速摄像机17、高频数据采集仪21及起爆开关8，以实现水下压力传感器19和高速摄像机17的同步采集，触发方式均采用下降沿触发；第一计算机18用于处理高速摄像机17获取的信息。

进一步地，当试验环境中的光线不够充足时，可在水箱1顶部开口外对称设置一组无频闪大功率照明灯10。无频闪大功率照明灯10可采用220V交流电源。

为了降低待测试炸药的爆炸过程对水箱1内水质清洁度造成的影响，本发明增加了净水系统，也就是水循环过滤装置，如图3所示，水循环过滤装置包括潜水泵12、水管13和过滤器14，如图4所示，其中，潜水泵12竖直放置在水箱1底部，通过水管13与过滤器14相连，水泵连接220V交流电源。水循环过滤装置可以在试验过程中使用，也可以在试验结束后再放入水箱1中以避免对试验造成干扰。当在试验过程中使用时，过滤器14悬垂于接近水面及水箱1侧壁内侧，以避免阻挡试验光照，从而影响气泡清晰度，减少对试验的影响。也可采用净水剂16和虹吸管13对水质进行净化，具体过程为将加入净水剂16加入水箱中搅拌，待水中杂质形成絮凝体后停止搅拌，在杂质沉降后，使用虹吸管13吸出水底杂质。

基于本发明提供的一种炸药水下爆炸气泡脉动测试装置，本发明提供了一种炸药水下爆炸气泡脉动测试方法，流程如图5所示，具体包括以下步骤：

步骤1、向水箱1中注水至设定位置。

为了进一步提高试验精度，可将净水剂16加入水中进行搅拌，待水中杂质形成絮凝体后停止搅拌，在杂质沉降后采用虹吸管13吸出水底杂质。一般情况下，水箱1中注水的水深为1.5m，可以通过在观察窗上设置水深刻度线确定加水的位置，净水剂16可采用聚合氯化铝(PAC)，投入量为5ppm，使用前配成10％～25％的溶液，加入水体搅拌，待水中杂质形成絮凝体后停止搅拌；在杂质沉降后，使用虹吸管吸出水底杂质，具体方法为：将虹吸管一端置于水中，向另一端注水1分钟后停止注水并断开，虹吸管即可开始虹吸水底沉降杂质。净水结束后水位下降，重新注水至标注水位线。

步骤2、在水箱1的几何中心位置放入标尺，保持标尺与水箱1的横截面垂直；根据试验现场的光照情况，调整高速摄像机17位置、姿态及焦距，以保证标尺在拍摄画面中处于竖直位置。

本发明中利用标尺拍摄的静止像在试验结束后计算拍摄图像的像素点的实际尺寸。通过这种方式可以计算得到气泡脉动过程中气泡的半径随时间的变化情况。由于炸药水下爆炸气泡膨胀速度较快，通常需要将高速摄像机17的拍摄频率设置在10000帧/秒到30000帧/秒的闭区间上，例如，当分辨率为1024×688时，拍摄频率可为30000帧/s。

步骤3、将一组水下压力传感器19固定在定位机构2上；将爆源4与雷管连接，并做防水处理后，固定在定位机构2上；使水下压力传感器19位于爆源4的两侧，与爆源4处于同一水平高度并保持设定的水平距离；再将定位机构2放入水箱1中，使爆源4位于水箱1的几何中心。爆源4为由柱形炸药压装形成。

该水平距离通常取值在25倍装药半径到60倍装药半径的闭区间上，例如可为25倍装药半径或50倍装药半径。由于炸药水下爆炸冲击波短时间内迅速达到峰值压力，并且衰减较快，水下压力传感器19的频率通常设置为3.325MHz。

步骤4、设置脉冲信号发生器9同步触发高速摄像机17、高频数据采集仪21及起爆开关8的触发方式。例如，可采用下降沿触发。

步骤5、确认所有实验人员撤离至安全范围，连接雷管线与起爆线7，使用脉冲信号发生器9同步触发，起爆；第一计算机18及第二计算机22对接收的信息进行分析计算得到测试结果。

单次实验后，可以通过净水剂16与虹吸管13对每次实验后的浑浊水体进行快速净水处理，缩短水循环过滤装置净化水体时间，并且无需单次换水。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种炸药水下爆炸气泡脉动测试装置，其特征在于，包括：水箱(1)、定位机构(2)、吸波材料板(3)、爆源(4)、配重、微型雷管(6)、起爆线(7)、起爆开关(8)、脉冲信号发生器(9)、反光板(11)、高速摄像机(17)、第一计算机(18)、水下压力传感器(19)、信号调理仪(20)、高频数据采集仪(21)及第二计算机(22)；

其中，所述水箱(1)的侧壁上对称开设两个透明耐压观察窗；所述水箱(1)的内表面固定安装所述吸波材料板(3)；所述高速摄像机(17)放置于其中一个观察窗前，所述高速摄像机(17)的中心与所述爆源(4)的中心位于同一高度水平面；所述反光板(11)放置于另一个观察窗前；

所述爆源(4)为待测试炸药，所述爆源(4)与微型雷管(6)固定连接；所述爆源(4)的上端通过雷管线与定位机构(2)固定连接，爆源(4)的下端与配重相连；所述雷管线与所述起爆线(7)连接，所述起爆线(7)与起爆开关(8)相连；

所述水下压力传感器(19)的上端通过信号线分别与定位机构(2)固定连接、下端分别与配重相连；所述水下压力传感器(19)安装在爆源(4)的两侧，且与爆源(4)具有相同的水平高度；所述水下压力传感器(19)依次与信号调理仪(20)、高频数据采集仪(21)连接，将采集到的信号传递到第二计算机(22)；所述第二计算机(22)与所述脉冲信号发生器(9)连接；

所述定位机构(2)固定于所述水箱(1)内部，使所述爆源(4)位于所述水箱(1)的几何中心；

所述高速摄像机(17)分别与所述脉冲信号发生器(9)及所述第一计算机(18)连接。

2.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述测试装置还包括两个无频闪大功率照明灯(10)，所述无频闪大功率照明灯(10)对称固定于所述水箱(1)的顶部开口外；所述水下压力传感器(19)包含两个、三个或四个水下压力传感器。

3.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述测试装置还包括潜水泵(12)、水管(13)和过滤器(14)；所述潜水泵(12)竖直放置在所述水箱(1)底部，通过所述水管(13)与所述过滤器(14)相连，所述过滤器(14)悬垂于所述水箱(1)侧壁内侧接近水面。

4.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述观察窗采用透明亚克力材料板制作，厚度位于[20mm,30mm]区间内。

5.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述吸波材料板(3)为30mm厚的聚氨酯材料板。

6.根据权利要求1所述的测试装置，其特征在于，所述高速摄像机(17)的拍摄频率取值在10000帧/秒到30000帧/秒的闭区间上；所述水下压力传感器(19)的频率设置为3.325MHz。

7.一种采用权利要求1～6任意一项所述的测试装置的炸药水下爆炸气泡脉动测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、向所述水箱(1)中注水至设定位置；

步骤2、在所述水箱(1)的中心位置放入标尺，保持标尺与所述水箱(1)的上表面垂直；调整所述高速摄像机(17)位置及焦距，以保证所述标尺在拍摄时处于竖直位置；

步骤3、将所述水下压力传感器(19)固定在所述定位机构(2)上；将所述爆源(4)与微型雷管(6)固定连接，并做防水处理后，固定于所述定位机构(2)上；使所述水下压力传感器(19)位于所述爆源(4)的两侧，且所述水下压力传感器(19)与所述爆源(4)处于同一水平高度并保持设定的水平距离；将所述定位机构(2)放入所述水箱(1)中，使所述爆源(4)位于水箱1的几何中心；

步骤4、设置所述脉冲信号发生器(9)同步触发所述高速摄像机(17)、高频数据采集仪(21)及起爆开关(8)的触发方式；

步骤5、确认所有实验人员撤离至安全范围，连接所述雷管线与所述起爆线(7)，所述脉冲信号发生器(9)同步触发，起爆。

8.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于，所述步骤4中的所述触发方式为下降沿触发。

9.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于，所述测试方法还包括单次实验后，采用净水剂(16)与虹吸管(13)对所述水箱(1)中的水体进行净水处理。

10.根据权利要求7所述的测试方法，其特征在于，所述步骤3的所述水下压力传感器(19)与所述爆源(4)处于同一水平高度并保持设定的水平距离中的所述水平距离取值在25倍装药半径到60倍装药半径的闭区间上。

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