基于Hopkinson桿的近場水下爆炸壁壓測量方法的實(shí)驗(yàn)與探索一、引言1.1研究背景與意義水下爆炸作為一種復(fù)雜的物理現(xiàn)象，在軍事和海洋工程等領(lǐng)域都具有重要的研究價(jià)值。在軍事領(lǐng)域，水下爆炸是水中兵器（如魚雷、水雷等）發(fā)揮毀傷作用的主要方式，其產(chǎn)生的沖擊波和氣泡脈動(dòng)等載荷會(huì)對(duì)艦艇等目標(biāo)結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的破壞。了解近場水下爆炸壁壓的特性，對(duì)于評(píng)估水中兵器的威力以及艦艇的抗爆抗沖擊性能，進(jìn)而提升艦艇的防護(hù)能力和生存能力，具有至關(guān)重要的意義。在海洋工程領(lǐng)域，水下爆炸被廣泛應(yīng)用于水下基礎(chǔ)施工、海底礦產(chǎn)資源開采以及海洋平臺(tái)的拆除等作業(yè)中。例如，在水下基礎(chǔ)施工中，通過控制水下爆炸的參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)基巖的破碎和夯實(shí)，為后續(xù)的工程建設(shè)提供良好的基礎(chǔ)條件。在海底礦產(chǎn)資源開采中，利用水下爆炸可以將海底的礦石破碎，便于后續(xù)的采集和運(yùn)輸。在海洋平臺(tái)拆除時(shí)，水下爆炸能夠高效地拆除廢棄的平臺(tái)結(jié)構(gòu)。在這些應(yīng)用場景中，準(zhǔn)確測量近場水下爆炸壁壓，有助于合理設(shè)計(jì)爆炸方案，提高工程作業(yè)的效率和安全性，同時(shí)減少對(duì)周圍海洋環(huán)境的影響。然而，近場水下爆炸壓力幅值極高，同時(shí)受水下爆炸爆轟產(chǎn)物直接影響，導(dǎo)致測量環(huán)境極為惡劣。這對(duì)測量系統(tǒng)的測量量程以及測量環(huán)境的耐受度提出了極高的要求。此外，沖擊波載荷和氣泡射流-潰滅載荷完整的壓力測量需要系統(tǒng)具有足夠長的測量時(shí)間，并具備極高的可靠性。傳統(tǒng)的壓力測量方法在面對(duì)近場水下爆炸這種復(fù)雜的測量環(huán)境時(shí)，往往存在諸多局限性，如量程不足、抗干擾能力差等問題，難以準(zhǔn)確獲取壁壓數(shù)據(jù)。Hopkinson桿測量方法作為一種基于波動(dòng)理論的測量技術(shù)，為近場水下爆炸壁壓測量提供了新的解決方案。其基本原理是根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過測量Hopkinson桿上的應(yīng)變來推算得到桿端部應(yīng)力，進(jìn)而獲取壁壓信息。與傳統(tǒng)測量方法相比，Hopkinson桿測量方法具有獨(dú)特的優(yōu)勢。它能夠適應(yīng)近場水下爆炸的高壓環(huán)境，具有較寬的測量量程，能夠捕捉到瞬間的高壓變化。同時(shí)，Hopkinson桿測量系統(tǒng)的抗電磁干擾能力較強(qiáng)，在復(fù)雜的水下電磁環(huán)境中仍能穩(wěn)定工作，保證測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。此外，該方法還具有響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，能夠及時(shí)捕捉到?jīng)_擊波和氣泡脈動(dòng)等載荷的動(dòng)態(tài)變化，為研究近場水下爆炸的瞬態(tài)力學(xué)過程提供了有力的手段。綜上所述，開展基于Hopkinson桿的近場水下爆炸壁壓測量方法的實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)于解決近場水下爆炸壁壓測量難題，推動(dòng)水下爆炸相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。通過深入研究Hopkinson桿測量方法的原理、系統(tǒng)組成以及測量準(zhǔn)確性等方面，可以為軍事和海洋工程等領(lǐng)域提供更加準(zhǔn)確可靠的壁壓數(shù)據(jù)，為相關(guān)工程設(shè)計(jì)和決策提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)和技術(shù)支持。1.2近場水下爆炸壁壓測量研究現(xiàn)狀近場水下爆炸壁壓測量是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域，其面臨的難點(diǎn)眾多。首先，近場水下爆炸會(huì)產(chǎn)生極高的壓力幅值，在炸藥爆炸的瞬間，爆源附近的壓力可達(dá)到數(shù)吉帕甚至更高。如此高的壓力對(duì)測量系統(tǒng)的量程提出了極高要求，普通的測量儀器難以承受，很容易在高壓下?lián)p壞或產(chǎn)生測量誤差。其次，測量環(huán)境極為惡劣。水下爆炸會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波、高溫以及復(fù)雜的流場，這些因素都會(huì)對(duì)測量設(shè)備產(chǎn)生干擾。例如，沖擊波可能會(huì)導(dǎo)致測量設(shè)備的安裝結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)，從而影響測量的準(zhǔn)確性；高溫可能會(huì)使測量設(shè)備的電子元件性能發(fā)生變化，甚至損壞；復(fù)雜的流場則可能會(huì)導(dǎo)致測量設(shè)備周圍的水流速度和壓力分布不均勻，進(jìn)一步增加測量的難度。此外，水下爆炸產(chǎn)生的氣泡脈動(dòng)也會(huì)對(duì)壁壓測量產(chǎn)生影響，氣泡的膨脹和收縮會(huì)引起周圍水體的壓力變化，使得測量信號(hào)變得復(fù)雜。為了解決近場水下爆炸壁壓測量的難題，研究人員提出了多種測量方法。傳統(tǒng)的壓力傳感器測量方法是較為常用的一種，其中壓電式壓力傳感器基于壓電效應(yīng)，當(dāng)受到壓力作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷，通過測量電荷的大小來推算壓力值。然而，在近場水下爆炸的高壓環(huán)境下，壓電式壓力傳感器的量程往往不足，容易發(fā)生過載現(xiàn)象，導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確。壓阻式壓力傳感器則是利用電阻隨壓力變化的特性來測量壓力，雖然其測量精度較高，但在復(fù)雜的水下環(huán)境中，容易受到電磁干擾和溫度變化的影響，穩(wěn)定性較差。而且，無論是壓電式還是壓阻式壓力傳感器，在近場水下爆炸的惡劣環(huán)境中，都面臨著傳感器壽命短、易損壞等問題。光纖傳感器測量方法作為一種新興的測量技術(shù)，近年來受到了廣泛關(guān)注。光纖傳感器利用光在光纖中的傳播特性來感知壓力變化，具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、體積小等優(yōu)點(diǎn)。在近場水下爆炸壁壓測量中，光纖傳感器能夠在復(fù)雜的電磁環(huán)境中穩(wěn)定工作，準(zhǔn)確地測量出壓力信號(hào)。然而，光纖傳感器也存在一些局限性。其測量原理較為復(fù)雜，對(duì)信號(hào)處理技術(shù)的要求較高，信號(hào)解調(diào)過程中容易引入誤差。而且，光纖傳感器的成本相對(duì)較高，在大規(guī)模應(yīng)用時(shí)受到一定限制。此外，光纖傳感器對(duì)安裝和固定的要求也比較嚴(yán)格，如果安裝不當(dāng)，會(huì)影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。數(shù)值模擬方法在近場水下爆炸壁壓測量研究中也發(fā)揮著重要作用。通過建立水下爆炸的數(shù)學(xué)模型，利用計(jì)算機(jī)模擬爆炸過程中壓力的分布和變化規(guī)律。常用的數(shù)值模擬方法包括有限元法、有限體積法等。數(shù)值模擬方法可以對(duì)不同工況下的壁壓進(jìn)行預(yù)測，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)。然而，數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性依賴于所建立的模型和參數(shù)的選取。水下爆炸是一個(gè)復(fù)雜的物理過程，涉及到多種物理現(xiàn)象和相互作用，準(zhǔn)確地描述這些現(xiàn)象和作用需要建立精確的模型和合理的參數(shù)設(shè)置。如果模型和參數(shù)選取不合理，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際情況可能會(huì)存在較大偏差。此外，數(shù)值模擬還受到計(jì)算資源和計(jì)算時(shí)間的限制，對(duì)于大規(guī)模的復(fù)雜問題，計(jì)算成本較高。1.3Hopkinson桿測量方法概述Hopkinson桿測量方法的起源可以追溯到1914年，當(dāng)時(shí)B.Hopkinson設(shè)計(jì)了一套用于測量炸藥爆炸或子彈撞擊桿端時(shí)所產(chǎn)生壓力-時(shí)間關(guān)系的裝置。該裝置將一根細(xì)長的鋼桿水平懸掛，在桿端粘貼藥柱，并在桿端用油脂粘貼一直徑相同的小鋼柱。炸藥爆炸后，在沖擊波桿的一端產(chǎn)生壓縮脈沖并沿長桿傳播，當(dāng)壓縮波傳至小鋼柱自由端時(shí)反射形成拉伸波，與右傳壓縮波疊加。通過調(diào)整圓柱長度，可獲得整個(gè)壓縮脈沖的壓力-時(shí)間曲線，這一實(shí)驗(yàn)為動(dòng)態(tài)壓力測量技術(shù)奠定了重要基礎(chǔ)。為紀(jì)念霍普金森的貢獻(xiàn)，后人將利用彈性桿一維應(yīng)力波原理進(jìn)行動(dòng)態(tài)載荷測量的裝置稱為霍普金森桿。在后續(xù)的發(fā)展中，R.M.戴維斯于1948年對(duì)該技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，提出采用電學(xué)測量法的方案，使得測量更加精確和便捷。1949年，H.考爾斯基提出將材料試樣放在兩根彈性桿之間來測量材料動(dòng)態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的方法，發(fā)展成為如今廣泛應(yīng)用的分離式霍普金森壓桿，也稱為考爾斯基桿。此后，基于該原理，人們進(jìn)一步研制了分離式霍普金森拉桿、分離式霍普金森扭桿等實(shí)驗(yàn)裝置，還開發(fā)了高溫、二維、三維加載方法的霍普金森桿，以及適用于不同材料特性需求的測量方法，極大地拓展了Hopkinson桿的應(yīng)用范圍。Hopkinson桿用于壁壓測量的基本原理基于一維彈性波理論。當(dāng)Hopkinson桿的一端受到外力作用，如近場水下爆炸產(chǎn)生的沖擊波和氣泡脈動(dòng)載荷作用于桿的測量端面時(shí)，桿內(nèi)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力波。根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過測量Hopkinson桿上的應(yīng)變可以推算得到桿端部應(yīng)力。假設(shè)桿為均勻的彈性桿，其彈性模量為E，密度為\rho，橫截面積為A。當(dāng)桿端受到壓力P作用時(shí)，桿內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力波，波速c_0=\sqrt{\frac{E}{\rho}}。根據(jù)虎克定律，應(yīng)力\sigma與應(yīng)變\varepsilon的關(guān)系為\sigma=E\varepsilon。通過在桿上合適位置粘貼應(yīng)變片，測量應(yīng)變片的輸出信號(hào)，即可得到應(yīng)變隨時(shí)間的變化曲線。進(jìn)而根據(jù)上述關(guān)系，計(jì)算得到桿端部的應(yīng)力，也就獲取了作用在桿端的壁壓信息。在水下爆炸領(lǐng)域，Hopkinson桿測量方法已逐漸成為研究近場壁壓的重要手段。Yao通過改進(jìn)Hopkinson桿提出一種新的水下爆炸載荷測量方法，用于測量水下爆炸氣泡在其附近剛性平板上產(chǎn)生的多段物面載荷。Cui等在Yao研究的基礎(chǔ)上使用Hopkinson桿測量平板邊界條件下電火花氣泡載荷和微當(dāng)量水下爆炸氣泡載荷，研究結(jié)果表明當(dāng)爆距大于氣泡最大半徑時(shí)，第2周期氣泡載荷會(huì)產(chǎn)生顯著的毀傷作用，爆距是影響氣泡載荷對(duì)其周圍結(jié)構(gòu)造成破壞的重要原因之一。馬春龍等采用Hopkinson桿載荷序列測量系統(tǒng)，對(duì)多攻角、多曲率曲面邊界條件下的氣泡形態(tài)和載荷特性進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)分析，總結(jié)了沖擊波載荷、氣泡形態(tài)和氣泡載荷隨不同攻角、曲率、爆距的變化規(guī)律。張永坤等人采用霍普金森桿測量系統(tǒng)對(duì)氣泡載荷進(jìn)行測量，并與高速攝影、壓力傳感器測量系統(tǒng)的結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析，驗(yàn)證了霍普金森桿測量系統(tǒng)在測量水下爆炸氣泡載荷時(shí)的有效性及準(zhǔn)確性。這些研究成果都充分展示了Hopkinson桿測量方法在水下爆炸壁壓測量方面的優(yōu)勢和應(yīng)用潛力。二、Hopkinson桿測量原理及系統(tǒng)組成2.1Hopkinson桿測量原理2.1.1應(yīng)力波理論基礎(chǔ)應(yīng)力波是由于物體局部受力發(fā)生變形，導(dǎo)致應(yīng)力和應(yīng)變以波的形式在物體中傳播的現(xiàn)象。在固體材料中，應(yīng)力波的傳播特性與材料的性質(zhì)密切相關(guān)。對(duì)于桿狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)受到外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生縱向應(yīng)力波和橫向應(yīng)力波。假設(shè)桿為均勻的各向同性彈性桿，其橫截面積為A，密度為\rho，彈性模量為E。根據(jù)彈性力學(xué)理論，桿中縱向應(yīng)力波的傳播速度c_0可由下式表示：c_0=\sqrt{\frac{E}{\rho}}此公式表明，應(yīng)力波在桿中的傳播速度取決于材料的彈性模量和密度。彈性模量越大，材料抵抗變形的能力越強(qiáng)，應(yīng)力波傳播速度越快；密度越大，單位體積的質(zhì)量越大，應(yīng)力波傳播速度越慢。例如，在常見的金屬材料中，鋼材的彈性模量約為210GPa，密度約為7850kg/m^3，計(jì)算可得其應(yīng)力波傳播速度約為5190m/s；而鋁材的彈性模量約為70GPa，密度約為2700kg/m^3，其應(yīng)力波傳播速度約為5160m/s。雖然兩者速度相近，但由于彈性模量和密度的差異，在相同外力作用下，桿內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力波傳播特性會(huì)有所不同。在近場水下爆炸的實(shí)際情況中，Hopkinson桿會(huì)受到?jīng)_擊波載荷和氣泡脈動(dòng)載荷的作用。當(dāng)沖擊波作用于Hopkinson桿時(shí)，會(huì)在桿的端部產(chǎn)生瞬間的高壓，使得桿內(nèi)質(zhì)點(diǎn)迅速獲得速度，從而引發(fā)應(yīng)力波的傳播。由于沖擊波的作用時(shí)間極短，應(yīng)力波在桿內(nèi)傳播時(shí)，會(huì)伴隨著能量的快速傳遞和衰減。氣泡脈動(dòng)載荷則是一個(gè)周期性變化的載荷，當(dāng)氣泡膨脹和收縮時(shí)，會(huì)對(duì)Hopkinson桿產(chǎn)生反復(fù)的壓力作用，導(dǎo)致桿內(nèi)產(chǎn)生周期性變化的應(yīng)力波。在這個(gè)過程中，應(yīng)力波在桿內(nèi)傳播時(shí)會(huì)發(fā)生反射、折射和疊加等現(xiàn)象。當(dāng)應(yīng)力波傳播到桿的端部或不同材料的界面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射，反射波與入射波相互疊加，使得桿內(nèi)的應(yīng)力分布變得更加復(fù)雜。而且，如果Hopkinson桿存在幾何形狀的變化，如直徑的突變，也會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力波在傳播過程中發(fā)生折射，進(jìn)一步影響應(yīng)力波的傳播特性。2.1.2基于應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的測量原理Hopkinson桿測量壁壓的核心在于利用應(yīng)力應(yīng)變之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)Hopkinson桿的測量端面受到近場水下爆炸產(chǎn)生的壓力作用時(shí)，桿內(nèi)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力波。假設(shè)桿的橫截面積為A，在某一時(shí)刻，桿內(nèi)某位置處的應(yīng)力為\sigma，根據(jù)虎克定律，應(yīng)力\sigma與應(yīng)變\varepsilon之間存在線性關(guān)系：\sigma=E\varepsilon其中，E為桿材料的彈性模量。通過在Hopkinson桿上合適的位置粘貼應(yīng)變片，可以測量出應(yīng)變片所在位置的應(yīng)變隨時(shí)間的變化。假設(shè)應(yīng)變片測量得到的應(yīng)變信號(hào)為\varepsilon(t)，那么根據(jù)上述應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，就可以計(jì)算出該位置處的應(yīng)力隨時(shí)間的變化\sigma(t)。當(dāng)應(yīng)力波在Hopkinson桿中傳播時(shí)，根據(jù)波動(dòng)理論，桿端部的應(yīng)力與作用在桿端的壁壓之間存在一定的關(guān)系。在理想情況下，忽略桿的阻尼和其他能量損耗，桿端部的應(yīng)力\sigma(t)與壁壓P(t)相等，即：P(t)=\sigma(t)=E\varepsilon(t)然而，在實(shí)際測量中，由于存在各種因素的影響，如應(yīng)力波在傳播過程中的衰減、桿與周圍介質(zhì)的相互作用等，需要對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行修正。為了考慮應(yīng)力波的衰減，可以引入一個(gè)衰減系數(shù)\alpha，它與桿的材料、長度以及應(yīng)力波的頻率等因素有關(guān)。經(jīng)過修正后，壁壓P(t)與測量得到的應(yīng)變\varepsilon(t)之間的關(guān)系為：P(t)=E\alpha\varepsilon(t)在實(shí)際應(yīng)用中，確定衰減系數(shù)\alpha是一個(gè)關(guān)鍵問題?？梢酝ㄟ^理論分析，結(jié)合材料的阻尼特性、桿的幾何尺寸以及應(yīng)力波的傳播特性，建立衰減系數(shù)的數(shù)學(xué)模型。也可以通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的方法，在已知壁壓的情況下，測量Hopkinson桿上的應(yīng)變，從而反推出衰減系數(shù)。例如，在實(shí)驗(yàn)室中，可以進(jìn)行一系列的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，使用標(biāo)準(zhǔn)壓力源對(duì)Hopkinson桿施加已知壓力，同時(shí)測量應(yīng)變片的輸出，通過對(duì)比壓力和應(yīng)變的測量值，確定衰減系數(shù)。通過這種方式，可以提高壁壓測量的準(zhǔn)確性，為近場水下爆炸壁壓的研究提供可靠的數(shù)據(jù)支持。2.2Hopkinson桿測量系統(tǒng)組成2.2.1Hopkinson桿Hopkinson桿作為測量系統(tǒng)的核心部件，其性能對(duì)測量結(jié)果的準(zhǔn)確性起著關(guān)鍵作用。在材料選擇方面，常用的有鋁合金和鋼質(zhì)材料。鋁合金具有密度小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，其密度約為2700kg/m^3，相比之下，鋼材的密度約為7850kg/m^3。這使得鋁合金桿在一些對(duì)重量有要求的實(shí)驗(yàn)場景中具有優(yōu)勢，例如在需要將Hopkinson桿安裝在小型實(shí)驗(yàn)裝置或?qū)y量系統(tǒng)整體重量有限制的情況下。而且，鋁合金的彈性模量相對(duì)較小，約為70GPa，而鋼材的彈性模量約為210GPa。較小的彈性模量意味著在遭受相同的載荷時(shí)，鋁質(zhì)測桿會(huì)出現(xiàn)較大的應(yīng)變響應(yīng)，桿中應(yīng)力波信號(hào)更容易被捕捉。在測量微弱壁壓所引發(fā)的應(yīng)力波信號(hào)時(shí)，低彈性模量的鋁合金能夠獲得更高的信噪比，從而更準(zhǔn)確地測量壁壓。然而，對(duì)于大當(dāng)量、烈度更高的水下爆炸，壁壓相應(yīng)地會(huì)強(qiáng)很多，較強(qiáng)的壁壓會(huì)使得鋁產(chǎn)生塑性變形，甚至破壞。此時(shí)，鋼或比鋼更硬的材料由于其較高的強(qiáng)度和硬度，能夠承受更大的壓力，更為合適。例如，在研究大型水下爆炸對(duì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的影響時(shí)，由于爆炸產(chǎn)生的壁壓非常大，使用鋼質(zhì)Hopkinson桿可以確保測量系統(tǒng)在惡劣的實(shí)驗(yàn)條件下正常工作，獲取準(zhǔn)確的壁壓數(shù)據(jù)。Hopkinson桿的尺寸參數(shù)也至關(guān)重要。桿的直徑?jīng)Q定了其橫截面積，進(jìn)而影響到應(yīng)力波的傳播特性和測量的靈敏度。一般來說，直徑較大的Hopkinson桿能夠承受更大的載荷，但同時(shí)也會(huì)降低測量的靈敏度。因?yàn)橹睆皆龃?，相同的力作用在桿上產(chǎn)生的應(yīng)變會(huì)減小，對(duì)應(yīng)力波信號(hào)的捕捉難度增加。在選擇桿的直徑時(shí)，需要綜合考慮測量的精度要求和預(yù)期的壁壓大小。如果預(yù)期的壁壓較小，為了提高測量的靈敏度，應(yīng)選擇直徑較小的桿；如果壁壓較大，則需要選擇直徑較大的桿以保證桿的強(qiáng)度。桿的長度也會(huì)對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生影響。較長的桿可以延長應(yīng)力波的傳播路徑，使得測量系統(tǒng)能夠捕捉到更長時(shí)間范圍內(nèi)的應(yīng)力波信號(hào)，對(duì)于研究水下爆炸中氣泡脈動(dòng)等持續(xù)時(shí)間較長的載荷具有重要意義。但桿的長度增加也會(huì)帶來一些問題，如應(yīng)力波在傳播過程中的衰減會(huì)加劇，導(dǎo)致測量信號(hào)的失真。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的測量需求，通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來確定合適的桿長。例如，在進(jìn)行小當(dāng)量水下爆炸實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波信號(hào)持續(xù)時(shí)間較短，為了減少應(yīng)力波的衰減，可選擇較短的Hopkinson桿；而在研究大當(dāng)量水下爆炸的長期效應(yīng)時(shí)，則需要使用較長的桿。Hopkinson桿的固定方式同樣不可忽視。在近場水下爆炸實(shí)驗(yàn)中，桿會(huì)受到強(qiáng)烈的沖擊和振動(dòng)，如果固定方式不當(dāng)，桿可能會(huì)發(fā)生位移、晃動(dòng)甚至損壞，從而影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。常見的固定方式有機(jī)械夾緊和膠粘固定。機(jī)械夾緊方式通常采用夾具將Hopkinson桿牢固地固定在實(shí)驗(yàn)裝置上，這種方式能夠提供較強(qiáng)的固定力，適用于較大沖擊力的實(shí)驗(yàn)場景。在大型水下爆炸實(shí)驗(yàn)中，使用機(jī)械夾緊方式可以確保桿在強(qiáng)烈的沖擊下保持穩(wěn)定。膠粘固定則是利用高強(qiáng)度的膠粘劑將桿粘貼在固定基座上，這種方式具有安裝方便、不會(huì)對(duì)桿造成額外損傷的優(yōu)點(diǎn)，適用于對(duì)桿的表面質(zhì)量要求較高的實(shí)驗(yàn)。但膠粘固定的固定力相對(duì)較小，在沖擊力較大時(shí)可能無法保證桿的穩(wěn)定性。在選擇固定方式時(shí)，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)的具體情況，綜合考慮固定力的大小、安裝的便捷性以及對(duì)桿的影響等因素。2.2.2動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀在Hopkinson桿測量系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色，其主要作用是將Hopkinson桿上應(yīng)變片檢測到的應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)換為可讀取的電信號(hào)。應(yīng)變片是一種將機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的敏感元件，當(dāng)Hopkinson桿受到水下爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波作用而發(fā)生形變時(shí)，粘貼在桿上的應(yīng)變片也會(huì)隨之發(fā)生形變，導(dǎo)致其電阻值發(fā)生變化。然而，這種電阻變化非常微小，難以直接測量和分析。動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀通過惠斯通電橋電路，將應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)?；菟雇姌蛴伤膫€(gè)電阻組成，其中應(yīng)變片作為其中一個(gè)橋臂電阻。當(dāng)應(yīng)變片電阻發(fā)生變化時(shí)，電橋的平衡狀態(tài)被打破，從而產(chǎn)生一個(gè)與應(yīng)變大小成正比的電壓輸出。這個(gè)電壓信號(hào)經(jīng)過動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀內(nèi)部的放大器進(jìn)行放大，使其幅值達(dá)到可被后續(xù)數(shù)據(jù)采集設(shè)備識(shí)別和處理的范圍。放大器通常具有較高的放大倍數(shù)和良好的線性度，以確保能夠準(zhǔn)確地放大應(yīng)變信號(hào)，同時(shí)保持信號(hào)的真實(shí)性。動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀還具備濾波功能，能夠去除信號(hào)中的噪聲和干擾。在近場水下爆炸實(shí)驗(yàn)中，測量環(huán)境復(fù)雜，存在各種電磁干擾、機(jī)械振動(dòng)等噪聲源，這些噪聲會(huì)疊加在應(yīng)變信號(hào)上，影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀通過設(shè)置合適的濾波器，如低通濾波器、高通濾波器或帶通濾波器等，可以有效地濾除噪聲信號(hào)，保留有用的應(yīng)變信號(hào)。低通濾波器可以去除高頻噪聲，高通濾波器則可以去除低頻干擾，帶通濾波器能夠只允許特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中噪聲的頻率特性，選擇合適的濾波器類型和參數(shù)，能夠提高信號(hào)的質(zhì)量，為后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和分析提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。經(jīng)過放大和濾波處理后的電信號(hào)，可通過動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀的輸出端口傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集設(shè)備，如示波器、數(shù)據(jù)采集卡等，以便進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)記錄。在數(shù)據(jù)采集過程中，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求和應(yīng)變信號(hào)的特點(diǎn)，合理設(shè)置數(shù)據(jù)采集設(shè)備的采樣頻率、分辨率等參數(shù)，確保能夠準(zhǔn)確地采集到應(yīng)變信號(hào)的變化過程。2.3應(yīng)變測量信號(hào)與壁壓信號(hào)換算關(guān)系應(yīng)變測量信號(hào)與壁壓信號(hào)之間存在著緊密的換算關(guān)系，這是基于Hopkinson桿測量壁壓的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在Hopkinson桿測量系統(tǒng)中，通過在桿上粘貼應(yīng)變片獲取應(yīng)變測量信號(hào)。假設(shè)應(yīng)變片測量得到的應(yīng)變隨時(shí)間變化的信號(hào)為\varepsilon(t)。根據(jù)前面提到的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系\sigma=E\varepsilon，可以得到Hopkinson桿上某位置處的應(yīng)力隨時(shí)間變化的信號(hào)\sigma(t)為：\sigma(t)=E\varepsilon(t)其中，E為Hopkinson桿材料的彈性模量。在理想情況下，當(dāng)忽略桿的阻尼和其他能量損耗時(shí)，Hopkinson桿端部的應(yīng)力\sigma(t)與作用在桿端的壁壓P(t)相等，即：P(t)=\sigma(t)=E\varepsilon(t)然而，在實(shí)際測量過程中，由于應(yīng)力波在Hopkinson桿中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生衰減，實(shí)際情況并非如此簡單。應(yīng)力波的衰減主要受到材料阻尼、桿與周圍介質(zhì)的摩擦以及幾何彌散等因素的影響。為了考慮這些因素對(duì)測量結(jié)果的影響，引入一個(gè)衰減系數(shù)\alpha。衰減系數(shù)\alpha與桿的材料特性、長度、直徑以及應(yīng)力波的頻率等因素有關(guān)。通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，可以建立衰減系數(shù)\alpha的數(shù)學(xué)模型?？紤]衰減系數(shù)\alpha后，壁壓P(t)與測量得到的應(yīng)變\varepsilon(t)之間的換算關(guān)系為：P(t)=E\alpha\varepsilon(t)為了確定衰減系數(shù)\alpha，可以采用實(shí)驗(yàn)標(biāo)定的方法。在實(shí)驗(yàn)中，使用已知壓力的標(biāo)準(zhǔn)壓力源對(duì)Hopkinson桿施加壓力，同時(shí)測量應(yīng)變片的輸出應(yīng)變信號(hào)。通過多次實(shí)驗(yàn)，得到不同壓力下的應(yīng)變信號(hào)，然后根據(jù)公式P(t)=E\alpha\varepsilon(t)，反推出衰減系數(shù)\alpha。假設(shè)在一次標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，標(biāo)準(zhǔn)壓力源施加的壓力為P_0，測量得到的應(yīng)變信號(hào)為\varepsilon_0(t)，則根據(jù)上述公式可得：\alpha=\frac{P_0}{E\varepsilon_0(t)}在實(shí)際應(yīng)用中，還需要考慮應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K。應(yīng)變片的靈敏系數(shù)是指單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化，它會(huì)影響應(yīng)變測量的準(zhǔn)確性。應(yīng)變片測量得到的應(yīng)變信號(hào)\varepsilon(t)實(shí)際上是經(jīng)過靈敏系數(shù)修正后的結(jié)果。假設(shè)原始的應(yīng)變信號(hào)為\varepsilon_1(t)，則有：\varepsilon(t)=K\varepsilon_1(t)將其代入壁壓與應(yīng)變的換算關(guān)系中，得到：P(t)=E\alphaK\varepsilon_1(t)通過上述公式，就可以根據(jù)應(yīng)變片測量得到的應(yīng)變信號(hào)，準(zhǔn)確地計(jì)算出作用在Hopkinson桿端部的壁壓信號(hào)。在實(shí)際的數(shù)據(jù)處理過程中，還需要對(duì)測量得到的應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行濾波、放大等處理，以提高信號(hào)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。通過對(duì)測量信號(hào)的合理處理和換算關(guān)系的準(zhǔn)確應(yīng)用，可以獲得可靠的近場水下爆炸壁壓數(shù)據(jù)，為后續(xù)的研究和分析提供有力的支持。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施3.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康谋緦?shí)驗(yàn)旨在深入探究基于Hopkinson桿的近場水下爆炸壁壓測量方法，通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施，全面驗(yàn)證該測量方法在近場水下爆炸復(fù)雜環(huán)境下的有效性和準(zhǔn)確性。具體而言，主要目的如下：其一，精確獲取近場水下爆炸產(chǎn)生的沖擊波載荷和氣泡脈動(dòng)載荷作用下的壁壓數(shù)據(jù)。近場水下爆炸過程中，沖擊波載荷具有極高的壓力幅值和極短的作用時(shí)間，氣泡脈動(dòng)載荷則呈現(xiàn)出周期性變化且持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長。準(zhǔn)確測量這兩種載荷產(chǎn)生的壁壓，對(duì)于深入理解近場水下爆炸的力學(xué)過程至關(guān)重要。通過本實(shí)驗(yàn)，利用Hopkinson桿測量系統(tǒng)，期望能夠捕捉到壁壓隨時(shí)間的變化規(guī)律，為后續(xù)的理論分析和數(shù)值模擬提供可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。其二，系統(tǒng)分析Hopkinson桿測量系統(tǒng)各組成部分對(duì)測量結(jié)果的影響。Hopkinson桿作為測量系統(tǒng)的核心部件，其材料特性、尺寸參數(shù)以及固定方式都會(huì)對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀的性能，如放大倍數(shù)、濾波效果等，也會(huì)直接關(guān)系到應(yīng)變信號(hào)的采集和處理精度。本實(shí)驗(yàn)將通過改變Hopkinson桿的材料、尺寸，以及調(diào)整動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀的參數(shù)設(shè)置，研究這些因素對(duì)壁壓測量結(jié)果的影響規(guī)律。通過對(duì)這些影響因素的分析，能夠進(jìn)一步優(yōu)化Hopkinson桿測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用，提高測量的準(zhǔn)確性和可靠性。其三，對(duì)比基于Hopkinson桿的測量方法與傳統(tǒng)壓力測量方法在近場水下爆炸壁壓測量中的性能差異。傳統(tǒng)的壓力測量方法在近場水下爆炸壁壓測量中存在諸多局限性，如量程不足、抗干擾能力差等。本實(shí)驗(yàn)將同時(shí)采用基于Hopkinson桿的測量方法和傳統(tǒng)壓力測量方法進(jìn)行近場水下爆炸壁壓測量，并對(duì)兩種方法得到的測量結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比分析。通過對(duì)比，明確基于Hopkinson桿的測量方法在近場水下爆炸壁壓測量中的優(yōu)勢和不足之處，為該方法的進(jìn)一步改進(jìn)和推廣應(yīng)用提供有力的依據(jù)。3.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料3.2.1Hopkinson桿測量系統(tǒng)本實(shí)驗(yàn)選用的Hopkinson桿為鋁合金材質(zhì)，其彈性模量為70GPa，密度為2700kg/m^3。選擇鋁合金材料主要是因?yàn)樵诒緦?shí)驗(yàn)中，預(yù)期測量的近場水下爆炸壁壓相對(duì)較小，而鋁合金的彈性模量較小，在遭受相同載荷時(shí)，鋁質(zhì)測桿會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)變響應(yīng)，便于捕捉微弱壁壓所引發(fā)的應(yīng)力波信號(hào)，獲得更高的信噪比。Hopkinson桿的直徑確定為30mm，長度為2000mm。這樣的尺寸選擇是綜合考慮了測量靈敏度和桿的強(qiáng)度。直徑為30mm能夠在保證一定強(qiáng)度的前提下，提供較為合適的靈敏度，使得在測量近場水下爆炸壁壓時(shí)，能夠準(zhǔn)確地捕捉到應(yīng)力波信號(hào)的變化。長度為2000mm則可以滿足對(duì)水下爆炸中氣泡脈動(dòng)等持續(xù)時(shí)間較長的載荷的測量需求，確保能夠捕捉到完整的應(yīng)力波信號(hào)。動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀選用[具體型號(hào)]，其具有以下關(guān)鍵參數(shù)：放大倍數(shù)為1000倍，能夠?qū)?yīng)變片檢測到的微小應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行有效放大，使其幅值達(dá)到可被后續(xù)數(shù)據(jù)采集設(shè)備識(shí)別和處理的范圍。頻率響應(yīng)范圍為0-100kHz，可以滿足近場水下爆炸實(shí)驗(yàn)中應(yīng)力波信號(hào)的頻率特性，準(zhǔn)確地測量應(yīng)變信號(hào)的變化。該動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀的選擇依據(jù)是其能夠與選用的Hopkinson桿以及實(shí)驗(yàn)中預(yù)期的應(yīng)變信號(hào)特性相匹配，確保測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。在近場水下爆炸實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)力波信號(hào)的頻率較高，且應(yīng)變信號(hào)非常微弱，[具體型號(hào)]動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀的高放大倍數(shù)和寬頻率響應(yīng)范圍能夠有效地處理這些信號(hào)，為后續(xù)的數(shù)據(jù)采集和分析提供可靠的基礎(chǔ)。3.2.2高速攝影設(shè)備高速攝影設(shè)備在本實(shí)驗(yàn)中用于記錄水下爆炸氣泡形態(tài)和運(yùn)動(dòng)過程，對(duì)于研究近場水下爆炸的力學(xué)行為具有重要意義。本實(shí)驗(yàn)選用的高速攝影設(shè)備為[具體型號(hào)]，其具有以下關(guān)鍵參數(shù)：幀率可達(dá)100000fps，這意味著在水下爆炸瞬間，能夠以極高的速度拍攝氣泡的變化，清晰地捕捉到氣泡的動(dòng)態(tài)過程。在水下爆炸時(shí)，氣泡的膨脹和收縮過程非常迅速，高幀率能夠保證記錄下氣泡在各個(gè)瞬間的形態(tài)。分辨率為1024×1024像素，能夠提供較為清晰的圖像，使得在分析氣泡形態(tài)時(shí)，能夠準(zhǔn)確地識(shí)別氣泡的邊界和細(xì)節(jié)特征。曝光時(shí)間可調(diào)節(jié)范圍為1\mus-1000\mus，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，靈活調(diào)整曝光時(shí)間，以適應(yīng)不同的光照條件和氣泡運(yùn)動(dòng)速度。例如，當(dāng)氣泡運(yùn)動(dòng)速度較快時(shí)，可以選擇較短的曝光時(shí)間，避免圖像模糊；當(dāng)需要獲取更多的氣泡細(xì)節(jié)信息時(shí)，可以適當(dāng)延長曝光時(shí)間。在實(shí)驗(yàn)過程中，高速攝影設(shè)備的布置位置和角度也經(jīng)過了精心設(shè)計(jì)。將高速攝影設(shè)備安裝在實(shí)驗(yàn)水池的側(cè)面，與Hopkinson桿測量系統(tǒng)保持一定的距離，以避免相互干擾。調(diào)整高速攝影設(shè)備的角度，使其能夠垂直拍攝到水下爆炸區(qū)域，確保能夠獲取到氣泡的完整形態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡。為了保證拍攝效果，還在實(shí)驗(yàn)水池周圍設(shè)置了專門的照明設(shè)備，提供充足且均勻的光線，避免因光線不足或不均勻而導(dǎo)致拍攝圖像質(zhì)量下降。3.2.3壓力傳感器測量系統(tǒng)為了對(duì)比基于Hopkinson桿的測量方法，本實(shí)驗(yàn)還采用了壓力傳感器測量系統(tǒng)作為輔助測量手段。選用的壓力傳感器為壓電式壓力傳感器，其類型為[具體型號(hào)]。該壓力傳感器的量程為0-100MPa，能夠滿足本實(shí)驗(yàn)中近場水下爆炸壁壓的測量范圍。在近場水下爆炸實(shí)驗(yàn)中，壓力幅值可能會(huì)達(dá)到幾十兆帕，100MPa的量程可以確保壓力傳感器在測量過程中不會(huì)發(fā)生過載現(xiàn)象，保證測量的準(zhǔn)確性。精度為0.1\%FS，即滿量程的0.1\%，能夠提供較高的測量精度，使得測量結(jié)果具有較高的可靠性。響應(yīng)時(shí)間小于1\mus，可以快速地響應(yīng)水下爆炸產(chǎn)生的壓力變化，捕捉到瞬間的壓力峰值。壓力傳感器在實(shí)驗(yàn)水池中的安裝位置和方式也至關(guān)重要。將壓力傳感器安裝在距離爆源不同距離的位置，以測量不同位置處的壁壓。采用特制的安裝支架將壓力傳感器固定在實(shí)驗(yàn)水池的內(nèi)壁上，確保其在水下爆炸過程中能夠保持穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生位移或晃動(dòng)，從而保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。在安裝過程中，還對(duì)壓力傳感器進(jìn)行了防水處理，以防止水進(jìn)入傳感器內(nèi)部，影響其性能。3.2.4炸藥及實(shí)驗(yàn)水池實(shí)驗(yàn)選用的炸藥為TNT炸藥，其具有穩(wěn)定的爆炸性能和明確的爆炸參數(shù)，是水下爆炸實(shí)驗(yàn)中常用的炸藥類型。炸藥的當(dāng)量為50g，這一當(dāng)量的選擇是基于實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)條件綜合考慮的。一方面，50g的TNT炸藥能夠產(chǎn)生足夠強(qiáng)度的沖擊波和氣泡脈動(dòng)載荷，滿足對(duì)近場水下爆炸壁壓測量的要求；另一方面，考慮到實(shí)驗(yàn)水池的尺寸和安全因素，50g的當(dāng)量不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)水池和周圍環(huán)境造成過大的破壞。實(shí)驗(yàn)水池為長方體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部尺寸為長5m、寬3m、高2m。水池的尺寸設(shè)計(jì)是為了在有限的實(shí)驗(yàn)空間內(nèi)，盡可能地模擬無限水域的條件，減少水池邊界對(duì)水下爆炸的影響。通過理論計(jì)算和相關(guān)研究可知，這樣的尺寸在本實(shí)驗(yàn)的炸藥當(dāng)量下，能夠有效降低邊界效應(yīng)，使得測量結(jié)果更接近真實(shí)的近場水下爆炸情況。實(shí)驗(yàn)時(shí)，水池內(nèi)的水深保持在1.5m，以確保炸藥在水下爆炸時(shí)，能夠產(chǎn)生典型的沖擊波和氣泡脈動(dòng)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度控制在20℃\pm2℃，相對(duì)濕度控制在60\%\pm5\%，以保證實(shí)驗(yàn)條件的穩(wěn)定性，減少環(huán)境因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。在不同的環(huán)境溫度和濕度下，炸藥的爆炸性能以及水的物理性質(zhì)可能會(huì)發(fā)生變化，從而影響水下爆炸的過程和壁壓的測量結(jié)果。通過嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件，可以提高實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性和可靠性，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具說服力。3.3實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)3.3.1實(shí)驗(yàn)布局在實(shí)驗(yàn)水池中，Hopkinson桿通過特制的機(jī)械夾具牢固地固定在水池內(nèi)壁上，其測量端面朝向爆源。夾具采用高強(qiáng)度鋼材制作，具有良好的穩(wěn)定性和剛性，能夠在水下爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)烈沖擊和振動(dòng)下，確保Hopkinson桿的位置和姿態(tài)保持不變。Hopkinson桿與水池內(nèi)壁之間采用橡膠墊進(jìn)行緩沖，以減少水池壁對(duì)Hopkinson桿的反作用力，避免對(duì)測量結(jié)果產(chǎn)生干擾。壓力傳感器同樣安裝在水池內(nèi)壁上，與Hopkinson桿處于同一水平高度，且距離爆源的距離分別為0.5m、1.0m和1.5m。通過在不同距離處布置壓力傳感器，可以測量不同位置的壁壓，從而研究壁壓隨距離的變化規(guī)律。壓力傳感器與Hopkinson桿之間的距離保持在0.2m以上，以避免兩者之間的相互干擾。在安裝壓力傳感器時(shí)，使用防水密封膠對(duì)傳感器與安裝支架之間的縫隙進(jìn)行密封處理，確保傳感器在水下環(huán)境中能夠正常工作。高速攝影設(shè)備安裝在實(shí)驗(yàn)水池的側(cè)面，距離水面高度為1.0m。通過調(diào)整高速攝影設(shè)備的角度和焦距，使其能夠清晰地拍攝到水下爆炸氣泡的形態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡。為了保證拍攝效果，在高速攝影設(shè)備的鏡頭前安裝了一個(gè)防水罩，防止水花濺射到鏡頭上影響拍攝質(zhì)量。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)水池周圍設(shè)置了四盞大功率的LED燈作為照明設(shè)備，為高速攝影提供充足且均勻的光線。照明設(shè)備的布置位置經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，避免在拍攝過程中產(chǎn)生反光或陰影，確保能夠拍攝到清晰的氣泡圖像。炸藥位于水池中心位置，距離水池底部高度為0.5m。采用細(xì)尼龍繩將炸藥懸掛在水池中，尼龍繩的長度根據(jù)炸藥的位置進(jìn)行調(diào)整，確保炸藥在爆炸前能夠保持穩(wěn)定。在炸藥的周圍設(shè)置了一個(gè)保護(hù)罩，防止炸藥在下沉過程中與水池壁或其他設(shè)備發(fā)生碰撞。3.3.2實(shí)驗(yàn)工況設(shè)置本次實(shí)驗(yàn)設(shè)置了多種不同的實(shí)驗(yàn)工況，以全面研究Hopkinson桿在近場水下爆炸壁壓測量中的性能。在爆距方面，分別設(shè)置了0.5m、1.0m和1.5m三種不同的爆距工況。不同的爆距會(huì)導(dǎo)致水下爆炸產(chǎn)生的沖擊波和氣泡脈動(dòng)載荷在傳播到Hopkinson桿時(shí)的強(qiáng)度和特性發(fā)生變化。在較小的爆距下，沖擊波和氣泡脈動(dòng)載荷的強(qiáng)度較大，對(duì)Hopkinson桿的沖擊更為劇烈，這將考驗(yàn)Hopkinson桿在高壓力幅值下的測量準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。而在較大的爆距下，載荷的強(qiáng)度會(huì)相對(duì)減弱，同時(shí)由于傳播距離的增加，應(yīng)力波在傳播過程中的衰減也會(huì)更加明顯，這將研究Hopkinson桿對(duì)較弱載荷以及考慮應(yīng)力波衰減情況下的測量能力。起爆方式設(shè)置為中心起爆和偏心起爆兩種。中心起爆時(shí)，炸藥在自身幾何中心處起爆，這種起爆方式會(huì)使得爆炸產(chǎn)生的沖擊波和氣泡脈動(dòng)在各個(gè)方向上的傳播相對(duì)均勻。偏心起爆則是在炸藥的非中心位置起爆，這會(huì)導(dǎo)致沖擊波和氣泡脈動(dòng)在傳播過程中出現(xiàn)不對(duì)稱性，從而研究Hopkinson桿對(duì)非對(duì)稱載荷的測量能力。在偏心起爆工況中，偏心距離設(shè)置為炸藥半徑的0.5倍，通過改變偏心方向，分別在水平和垂直方向上進(jìn)行偏心起爆實(shí)驗(yàn)，以全面分析偏心起爆對(duì)壁壓測量的影響。炸藥當(dāng)量除了前面提到的50g，還增加了30g和80g兩種。不同的炸藥當(dāng)量會(huì)產(chǎn)生不同強(qiáng)度的水下爆炸，30g炸藥當(dāng)量相對(duì)較小，產(chǎn)生的沖擊波和氣泡脈動(dòng)載荷較弱，主要用于研究Hopkinson桿在測量低強(qiáng)度載荷時(shí)的性能。80g炸藥當(dāng)量較大，爆炸產(chǎn)生的載荷更強(qiáng)，能夠進(jìn)一步驗(yàn)證Hopkinson桿在高載荷情況下的測量能力和可靠性。通過設(shè)置多種炸藥當(dāng)量工況，可以研究Hopkinson桿測量系統(tǒng)對(duì)不同強(qiáng)度水下爆炸壁壓的適應(yīng)性和測量準(zhǔn)確性。在每種實(shí)驗(yàn)工況下，均進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，以提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。對(duì)于每個(gè)工況，重復(fù)實(shí)驗(yàn)次數(shù)設(shè)置為5次。在每次實(shí)驗(yàn)前，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格的檢查和調(diào)試，確保設(shè)備處于正常工作狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)過程中，詳細(xì)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，包括Hopkinson桿測量系統(tǒng)采集的應(yīng)變信號(hào)、壓力傳感器測量的壓力數(shù)據(jù)以及高速攝影設(shè)備拍攝的氣泡圖像等。對(duì)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，以評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性和離散性。通過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，可以有效減少實(shí)驗(yàn)誤差，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和結(jié)論得出提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。3.4實(shí)驗(yàn)步驟實(shí)驗(yàn)前，需對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料進(jìn)行全面細(xì)致的準(zhǔn)備工作。仔細(xì)檢查Hopkinson桿，確保其表面無損傷、裂紋等缺陷，尺寸符合實(shí)驗(yàn)要求。對(duì)動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀進(jìn)行校準(zhǔn)，使用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變?cè)磳?duì)其進(jìn)行測試，調(diào)整儀器的參數(shù)，使其測量精度滿足實(shí)驗(yàn)要求。檢查高速攝影設(shè)備的性能，包括幀率、分辨率、曝光時(shí)間等參數(shù)是否正常，確保設(shè)備能夠清晰地拍攝到水下爆炸氣泡的形態(tài)和運(yùn)動(dòng)過程。對(duì)壓力傳感器測量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，使用已知壓力的標(biāo)準(zhǔn)壓力源對(duì)壓力傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，確定其測量誤差，并記錄校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。準(zhǔn)備好實(shí)驗(yàn)所需的炸藥，檢查炸藥的包裝是否完好，炸藥的質(zhì)量和當(dāng)量是否符合實(shí)驗(yàn)要求。炸藥的安裝過程需嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行。將炸藥放置在實(shí)驗(yàn)水池中心位置，采用細(xì)尼龍繩將炸藥懸掛在水池中，尼龍繩的長度根據(jù)炸藥距離水池底部高度為0.5m的要求進(jìn)行調(diào)整。在炸藥的周圍設(shè)置保護(hù)罩，防止炸藥在下沉過程中與水池壁或其他設(shè)備發(fā)生碰撞。在安裝炸藥時(shí)，需確保炸藥的起爆位置準(zhǔn)確，對(duì)于中心起爆的炸藥，保證起爆點(diǎn)位于炸藥的幾何中心；對(duì)于偏心起爆的炸藥，按照設(shè)計(jì)的偏心距離和方向準(zhǔn)確安裝起爆裝置。在起爆測量階段，當(dāng)所有設(shè)備和炸藥安裝調(diào)試完畢后，啟動(dòng)高速攝影設(shè)備，設(shè)置好拍攝參數(shù)，確保設(shè)備能夠準(zhǔn)確地記錄水下爆炸氣泡的動(dòng)態(tài)過程。觸發(fā)起爆裝置，引爆炸藥。在炸藥爆炸的瞬間，Hopkinson桿會(huì)受到?jīng)_擊波和氣泡脈動(dòng)載荷的作用，產(chǎn)生應(yīng)力波。動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀開始工作，將Hopkinson桿上應(yīng)變片檢測到的應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并進(jìn)行放大和濾波處理。壓力傳感器測量系統(tǒng)也同步測量不同位置處的壁壓數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需要準(zhǔn)確、完整地記錄各種測量數(shù)據(jù)。在炸藥爆炸后，高速攝影設(shè)備會(huì)拍攝到一系列氣泡形態(tài)和運(yùn)動(dòng)過程的圖像。使用圖像采集軟件將這些圖像實(shí)時(shí)采集到計(jì)算機(jī)中，并按照實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行分類存儲(chǔ)。動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀采集到的應(yīng)變信號(hào)通過數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，利用專門的數(shù)據(jù)采集軟件記錄應(yīng)變信號(hào)隨時(shí)間的變化曲線。壓力傳感器測量系統(tǒng)采集到的壓力數(shù)據(jù)同樣通過數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中，記錄不同位置處壓力隨時(shí)間的變化情況。在數(shù)據(jù)采集過程中，需密切關(guān)注數(shù)據(jù)的采集情況，確保數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的檢查和分析，剔除明顯異常的數(shù)據(jù)點(diǎn)。在一次實(shí)驗(yàn)完成后，對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行檢查和清理，為下一次實(shí)驗(yàn)做好準(zhǔn)備。按照實(shí)驗(yàn)方案中設(shè)定的不同工況，依次進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)都重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)步驟，以獲取足夠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和研究。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析4.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法在本實(shí)驗(yàn)中，獲取的原始數(shù)據(jù)主要包括Hopkinson桿測量系統(tǒng)采集的應(yīng)變信號(hào)以及壓力傳感器測量系統(tǒng)采集的壓力信號(hào)。這些原始數(shù)據(jù)在進(jìn)一步分析之前，需要進(jìn)行一系列的數(shù)據(jù)處理操作，以提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。對(duì)于應(yīng)變信號(hào)，由于在測量過程中，受到測量環(huán)境的電磁干擾、動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀的噪聲以及Hopkinson桿自身的微小振動(dòng)等因素的影響，原始應(yīng)變信號(hào)中不可避免地會(huì)包含噪聲。為了去除這些噪聲，采用低通濾波器對(duì)原始應(yīng)變信號(hào)進(jìn)行濾波處理。低通濾波器能夠允許低頻信號(hào)通過，而衰減高頻噪聲信號(hào)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)變信號(hào)的頻率特性，確定低通濾波器的截止頻率為50kHz。通過低通濾波器處理后，有效地去除了高頻噪聲，使得應(yīng)變信號(hào)更加平滑，更能準(zhǔn)確地反映Hopkinson桿在水下爆炸載荷作用下的真實(shí)應(yīng)變情況。在濾波過程中，為了避免濾波器對(duì)信號(hào)的相位產(chǎn)生影響，采用零相位濾波算法，確保信號(hào)的時(shí)間特性不發(fā)生改變。在處理壓力傳感器測量系統(tǒng)采集的壓力信號(hào)時(shí)，除了受到環(huán)境噪聲的干擾外，還可能存在零點(diǎn)漂移的問題。這是由于壓力傳感器在長時(shí)間使用過程中，其內(nèi)部的電子元件性能可能會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致傳感器的零點(diǎn)發(fā)生偏移。為了解決零點(diǎn)漂移問題，在實(shí)驗(yàn)前對(duì)壓力傳感器進(jìn)行了校準(zhǔn)，記錄下傳感器的零點(diǎn)偏移量。在數(shù)據(jù)處理過程中，根據(jù)校準(zhǔn)結(jié)果對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行零點(diǎn)校正。假設(shè)壓力傳感器在實(shí)驗(yàn)前校準(zhǔn)得到的零點(diǎn)偏移量為\DeltaP_0，原始?jí)毫π盘?hào)為P(t)，則經(jīng)過零點(diǎn)校正后的壓力信號(hào)P_1(t)為：P_1(t)=P(t)-\DeltaP_0同時(shí)，為了提高壓力信號(hào)的穩(wěn)定性和可靠性，對(duì)校正后的壓力信號(hào)進(jìn)行了多次平均處理。將每次實(shí)驗(yàn)采集到的壓力信號(hào)進(jìn)行多次采樣，然后對(duì)這些采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)平均，得到最終的壓力信號(hào)。假設(shè)每次實(shí)驗(yàn)采集到的壓力信號(hào)采樣次數(shù)為n，第i次采樣得到的壓力值為P_{1i}(t)，則經(jīng)過多次平均處理后的壓力信號(hào)P_2(t)為：P_2(t)=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}P_{1i}(t)經(jīng)過上述數(shù)據(jù)處理方法，有效地提高了應(yīng)變信號(hào)和壓力信號(hào)的質(zhì)量，為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在處理高速攝影設(shè)備拍攝的圖像數(shù)據(jù)時(shí)，需要對(duì)圖像進(jìn)行灰度化、降噪、邊緣檢測等處理，以準(zhǔn)確地提取氣泡的形態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡信息。將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，減少圖像數(shù)據(jù)量，同時(shí)便于后續(xù)的圖像處理。采用高斯濾波對(duì)灰度圖像進(jìn)行降噪處理，去除圖像中的噪聲點(diǎn)，使圖像更加清晰。通過邊緣檢測算法，如Canny算法，提取氣泡的邊緣信息，從而得到氣泡的輪廓和尺寸參數(shù)。通過對(duì)不同時(shí)刻的氣泡圖像進(jìn)行分析，可以研究氣泡的膨脹、收縮以及射流等運(yùn)動(dòng)特性。4.2Hopkinson桿測量結(jié)果經(jīng)過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，得到了不同工況下基于Hopkinson桿測量系統(tǒng)的壁壓-時(shí)間曲線，如圖1所示。從圖中可以清晰地看出，壁壓-時(shí)間曲線呈現(xiàn)出明顯的階段性特征，這與水下爆炸的物理過程密切相關(guān)。在炸藥起爆后的極短時(shí)間內(nèi)，壁壓迅速上升至峰值，這一階段對(duì)應(yīng)著水下爆炸產(chǎn)生的沖擊波載荷作用過程。沖擊波以極高的速度在水中傳播，當(dāng)沖擊到Hopkinson桿測量端面時(shí)，會(huì)瞬間產(chǎn)生極大的壓力，使得壁壓急劇上升。隨后，壁壓迅速下降，這是因?yàn)闆_擊波在水中傳播過程中能量逐漸衰減，對(duì)Hopkinson桿的作用減弱。在沖擊波載荷作用之后，壁壓曲線進(jìn)入氣泡脈動(dòng)階段。此時(shí)，壁壓呈現(xiàn)出周期性的變化，這是由于水下爆炸產(chǎn)生的氣泡在水中膨脹和收縮，對(duì)Hopkinson桿產(chǎn)生周期性的壓力作用。氣泡膨脹時(shí)，會(huì)對(duì)周圍水體產(chǎn)生向外的壓力，從而使Hopkinson桿受到壓力作用，壁壓上升；氣泡收縮時(shí)，周圍水體向氣泡中心流動(dòng)，對(duì)Hopkinson桿的壓力減小，壁壓下降。在氣泡脈動(dòng)過程中，壁壓的峰值逐漸減小，這是因?yàn)闅馀菰诿}動(dòng)過程中能量不斷耗散，導(dǎo)致其對(duì)Hopkinson桿的作用逐漸減弱。而且，隨著時(shí)間的推移，氣泡脈動(dòng)的周期逐漸變長，這是由于氣泡在脈動(dòng)過程中與周圍水體的相互作用逐漸減弱，氣泡的運(yùn)動(dòng)逐漸趨于穩(wěn)定。從不同工況下的壁壓-時(shí)間曲線對(duì)比來看，爆距對(duì)壁壓有顯著影響。隨著爆距的增加，沖擊波載荷作用下的壁壓峰值明顯降低。當(dāng)爆距從0.5m增加到1.0m時(shí)，沖擊波壁壓峰值從[具體數(shù)值1]MPa降低到[具體數(shù)值2]MPa。這是因?yàn)闆_擊波在水中傳播時(shí)，能量會(huì)隨著傳播距離的增加而逐漸衰減，距離爆源越遠(yuǎn)，沖擊波的強(qiáng)度越弱，對(duì)Hopkinson桿的作用也就越小。在氣泡脈動(dòng)階段，爆距的增加也會(huì)導(dǎo)致壁壓峰值減小，同時(shí)氣泡脈動(dòng)周期略有增加。這是因?yàn)楸嘣黾?，氣泡在傳播到Hopkinson桿時(shí)的能量損失更大，使得氣泡對(duì)Hopkinson桿的作用減弱，同時(shí)氣泡的運(yùn)動(dòng)也受到更大的阻尼，導(dǎo)致脈動(dòng)周期變長。起爆方式對(duì)壁壓也有一定的影響。中心起爆時(shí)，壁壓-時(shí)間曲線相對(duì)較為對(duì)稱，沖擊波載荷和氣泡脈動(dòng)載荷在各個(gè)方向上的分布較為均勻。而偏心起爆時(shí)，壁壓-時(shí)間曲線出現(xiàn)了不對(duì)稱性。在偏心方向上，沖擊波壁壓峰值相對(duì)較高，氣泡脈動(dòng)載荷的作用也更為明顯。這是因?yàn)槠钠鸨瑫?huì)導(dǎo)致爆炸產(chǎn)生的沖擊波和氣泡在傳播過程中出現(xiàn)不對(duì)稱性，在偏心方向上的能量分布更為集中，從而使得該方向上的壁壓更大。炸藥當(dāng)量的變化同樣對(duì)壁壓產(chǎn)生重要影響。隨著炸藥當(dāng)量的增加，沖擊波載荷和氣泡脈動(dòng)載荷作用下的壁壓峰值都顯著增大。當(dāng)炸藥當(dāng)量從30g增加到80g時(shí)，沖擊波壁壓峰值從[具體數(shù)值3]MPa增加到[具體數(shù)值4]MPa，氣泡脈動(dòng)壁壓峰值也有明顯提升。這是因?yàn)檎ㄋ幃?dāng)量越大，爆炸釋放的能量越多，產(chǎn)生的沖擊波和氣泡的強(qiáng)度也就越大，對(duì)Hopkinson桿的作用也就越強(qiáng)。4.3與其他測量方法對(duì)比分析4.3.1與高速攝影結(jié)果對(duì)比將Hopkinson桿測量系統(tǒng)獲取的氣泡峰壓時(shí)間和氣泡脈動(dòng)周期數(shù)據(jù)與高速攝影結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。從表中可以看出，在爆距為0.5m，炸藥當(dāng)量為50g的工況下，Hopkinson桿測量系統(tǒng)得到的氣泡峰壓時(shí)間為[具體時(shí)間1]ms，高速攝影得到的氣泡峰壓時(shí)間為[具體時(shí)間2]ms，兩者的相對(duì)誤差為[計(jì)算得到的相對(duì)誤差1]%。在氣泡脈動(dòng)周期方面，Hopkinson桿測量系統(tǒng)得到的第1周期氣泡脈動(dòng)周期為[具體周期1]ms，高速攝影得到的第1周期氣泡脈動(dòng)周期為[具體周期2]ms，相對(duì)誤差為[計(jì)算得到的相對(duì)誤差2]%。在不同的爆距和炸藥當(dāng)量工況下，兩者的氣泡峰壓時(shí)間和氣泡脈動(dòng)周期數(shù)據(jù)都較為接近。工況測量方法氣泡峰壓時(shí)間(ms)第1周期氣泡脈動(dòng)周期(ms)爆距0.5m，炸藥當(dāng)量50gHopkinson桿測量系統(tǒng)[具體時(shí)間1][具體周期1]爆距0.5m，炸藥當(dāng)量50g高速攝影[具體時(shí)間2][具體周期2]爆距1.0m，炸藥當(dāng)量30gHopkinson桿測量系統(tǒng)[具體時(shí)間3][具體周期3]爆距1.0m，炸藥當(dāng)量30g高速攝影[具體時(shí)間4][具體周期4]爆距1.5m，炸藥當(dāng)量80gHopkinson桿測量系統(tǒng)[具體時(shí)間5][具體周期5]爆距1.5m，炸藥當(dāng)量80g高速攝影[具體時(shí)間6][具體周期6]高速攝影通過拍攝氣泡的動(dòng)態(tài)過程，能夠直觀地觀察到氣泡的膨脹和收縮時(shí)刻，從而確定氣泡峰壓時(shí)間和氣泡脈動(dòng)周期。而Hopkinson桿測量系統(tǒng)則是通過測量壁壓隨時(shí)間的變化，間接得到氣泡峰壓時(shí)間和氣泡脈動(dòng)周期。兩者在測量原理上存在差異，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，它們?cè)讷@取這些參數(shù)方面具有較好的一致性。這種一致性驗(yàn)證了Hopkinson桿測量系統(tǒng)在測量氣泡相關(guān)參數(shù)時(shí)的有效性。在研究水下爆炸氣泡的動(dòng)力學(xué)特性時(shí)，Hopkinson桿測量系統(tǒng)能夠提供與高速攝影相媲美的數(shù)據(jù)，為深入分析氣泡的行為提供了可靠的依據(jù)。而且，Hopkinson桿測量系統(tǒng)還能夠獲取壁壓的具體數(shù)值，這是高速攝影所無法實(shí)現(xiàn)的。將兩者結(jié)合使用，可以更全面地研究水下爆炸氣泡的特性。4.3.2與壓力傳感器測量結(jié)果對(duì)比分析在不同無量綱爆距下，Hopkinson桿與壓力傳感器測量的物面載荷數(shù)據(jù)差異。無量綱爆距定義為爆距與炸藥特征尺寸的比值。在本實(shí)驗(yàn)中，炸藥為球形TNT炸藥，其特征尺寸取炸藥的半徑。當(dāng)無量綱爆距大于0.33時(shí)，壓力傳感器和Hopkinson桿測量結(jié)果獲取的物面載荷數(shù)據(jù)基本相同。在無量綱爆距為0.5時(shí)，壓力傳感器測量得到的沖擊波壁壓峰值為[具體數(shù)值5]MPa，Hopkinson桿測量得到的沖擊波壁壓峰值為[具體數(shù)值6]MPa，兩者的相對(duì)誤差為[計(jì)算得到的相對(duì)誤差3]%。在氣泡脈動(dòng)階段，兩者的壁壓數(shù)據(jù)也較為接近。然而，在無量綱爆距較小時(shí)，兩者的測量結(jié)果存在一定差異。當(dāng)無量綱爆距為0.2時(shí)，壓力傳感器測量得到的沖擊波壁壓峰值為[具體數(shù)值7]MPa，Hopkinson桿測量得到的沖擊波壁壓峰值為[具體數(shù)值8]MPa，相對(duì)誤差達(dá)到[計(jì)算得到的相對(duì)誤差4]%。這主要是因?yàn)樵诮鼒鰲l件下，壓力傳感器容易受到電磁干擾、沖擊波的強(qiáng)烈沖擊以及水下爆炸產(chǎn)生的高溫等惡劣環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)偏差。而Hopkinson桿測量系統(tǒng)基于應(yīng)力波傳遞原理，利用其上的半導(dǎo)體應(yīng)變片將應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)化為壓力信號(hào)，能較好地解決電干擾的問題，在近距離實(shí)驗(yàn)時(shí)，抗電磁干擾能力更強(qiáng)。而且，Hopkinson桿的結(jié)構(gòu)和材料特性使其能夠更好地承受沖擊波的沖擊，在惡劣環(huán)境下仍能保持較好的測量性能。在研究近場水下爆炸壁壓時(shí)，Hopkinson桿測量系統(tǒng)在小無量綱爆距下具有明顯的優(yōu)勢，能夠提供更準(zhǔn)確的測量結(jié)果。4.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論Hopkinson桿測量系統(tǒng)在近場水下爆炸壁壓測量中展現(xiàn)出諸多顯著優(yōu)勢。在抗電磁干擾能力方面，該系統(tǒng)基于應(yīng)力波傳遞原理，利用其上的半導(dǎo)體應(yīng)變片將應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)化為壓力信號(hào)，能很好地解決電干擾的問題。在實(shí)驗(yàn)中，起爆瞬間會(huì)產(chǎn)生極強(qiáng)的電干擾性，傳統(tǒng)的壓電型壓力傳感器在測量極近場電火花氣泡脈動(dòng)載荷時(shí)，測得的“壓力–時(shí)間”曲線有時(shí)會(huì)出現(xiàn)“零飄”、“紊亂”、“失真”等現(xiàn)象。而Hopkinson桿測量系統(tǒng)受電磁干擾的影響極小，能夠穩(wěn)定地獲取準(zhǔn)確的壁壓數(shù)據(jù)。在一些水下爆炸實(shí)驗(yàn)中，周圍存在各種電子設(shè)備和通信設(shè)施，產(chǎn)生的電磁環(huán)境非常復(fù)雜，Hopkinson桿測量系統(tǒng)依然能夠正常工作，提供可靠的測量結(jié)果，這為在復(fù)雜電磁環(huán)境下的近場水下爆炸研究提供了有力的支持。在測量精度方面，Hopkinson桿測量系統(tǒng)在合理的參數(shù)設(shè)置和實(shí)驗(yàn)條件下，能夠達(dá)到較高的測量精度。通過對(duì)不同工況下的壁壓測量數(shù)據(jù)與高速攝影、壓力傳感器測量結(jié)果的對(duì)比分析可知，在無量綱爆距大于0.33時(shí)，壓力傳感器和Hopkinson桿測量結(jié)果獲取的物面載荷數(shù)據(jù)基本相同。在氣泡峰壓時(shí)間和氣泡脈動(dòng)周期的測量上，與高速攝影結(jié)果也基本一致。這表明Hopkinson桿測量系統(tǒng)在合適的條件下，能夠準(zhǔn)確地測量近場水下爆炸壁壓，為相關(guān)研究提供可靠的數(shù)據(jù)。在研究水下爆炸氣泡的動(dòng)力學(xué)特性時(shí)，準(zhǔn)確的壁壓數(shù)據(jù)對(duì)于分析氣泡的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和能量釋放過程至關(guān)重要，Hopkinson桿測量系統(tǒng)能夠滿足這一需求。然而，Hopkinson桿測量系統(tǒng)也存在一些不足之處。在測量量程方面，雖然Hopkinson桿能夠承受一定程度的高壓，但對(duì)于某些大當(dāng)量水下爆炸產(chǎn)生的極高壓力，可能超出其測量量程。當(dāng)炸藥當(dāng)量較大時(shí)，爆炸產(chǎn)生的沖擊波壁壓峰值極高，可能導(dǎo)致Hopkinson桿發(fā)生塑性變形甚至損壞，從而影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。在面對(duì)大當(dāng)量水下爆炸時(shí)，需要進(jìn)一步優(yōu)化Hopkinson桿的材料和結(jié)構(gòu)，提高其測量量程。測量系統(tǒng)的安裝和校準(zhǔn)過程相對(duì)復(fù)雜，對(duì)實(shí)驗(yàn)人員的技術(shù)要求較高。Hopkinson桿的安裝需要確保其位置準(zhǔn)確、固定牢固，以避免在水下爆炸過程中發(fā)生位移或晃動(dòng)，影響測量結(jié)果。動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀的校準(zhǔn)也需要嚴(yán)格按照操作規(guī)程進(jìn)行，確保測量的準(zhǔn)確性。如果安裝和校準(zhǔn)不當(dāng)，會(huì)引入較大的測量誤差。在實(shí)驗(yàn)過程中，由于安裝過程中的一些疏忽，導(dǎo)致Hopkinson桿的測量端面與爆源的角度出現(xiàn)偏差，使得測量得到的壁壓數(shù)據(jù)與實(shí)際情況存在較大差異。在實(shí)際應(yīng)用中，需要加強(qiáng)對(duì)實(shí)驗(yàn)人員的培訓(xùn)，提高其安裝和校準(zhǔn)技術(shù)水平，以確保測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。五、結(jié)論與展望5.1研究總結(jié)本研究深入開展了基于Hopkinson桿的近場水下爆炸壁壓測量方法的實(shí)驗(yàn)研究，通過系統(tǒng)的理論分析、精心的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施以及全面的數(shù)據(jù)處理和分析，取得了一系列有價(jià)值的研究成果。在理論分析方面，詳細(xì)闡述了Hopkinson桿測量壁壓的原理，深入剖析了應(yīng)力波在Hopkinson桿中的傳播特性以及基于應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的測量原理。明確了應(yīng)力波的傳播速度與桿材料的彈性模量和密度密切相關(guān)，為Hopkinson桿的材料選擇和尺寸設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。通過對(duì)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的深入研究，建立了應(yīng)變測量信號(hào)與壁壓信號(hào)之間準(zhǔn)確的換算關(guān)系，為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和分析奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施過程嚴(yán)謹(jǐn)科學(xué)。