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水下爆炸压力测量不确定度研究

张显丕  
【摘要】:水下爆炸自由场压力是水下爆炸测试的一个关键参数,通过测量自由场压力,可以确定舰船所遭受爆炸载荷的量级,评估各种炸药的爆炸威力,因此对舰船抗爆研究及武器设计均具有十分重要的意义。但目前对压力测量的研究主要集中于技术层面,对这项测量技术机理性研究还不充分,无法评定结果的准确性,阻碍了水下爆炸压力测量技术的深入发展。为此,本文从理论和试验两方面研究了水下爆炸压力测量系统对信号的传递特性,分析了影响水下爆炸压力测量不确定度的主要因素,形成了水下爆炸压力测量不确定度评定方法,并对现有的水下爆炸压力测量系统进行了不确定度评定。 水下爆炸压力测量的理论研究是本文的重要组成部分,只有从机理上认识水下爆炸压力信号的建立过程,才能合理地进行不确定度评定。本文将压力信号从输入到输出分为三个环节。分别为压力场接收环节、压力场转化环节及信号电路传输环节。在压力场接收环节,建立了压电晶片的声场散射理论模型,研究了冲击波对晶片的覆盖延迟及声散射对接收压力场的畸变效应;在压力场转换环节,以压电元件振动表征晶体在外压力场作用下的压电转换过程,分析了振动固有频率及阻尼比对压力信号的影响。在信号电路传输环节,分析了电路各组成单元的传递特性以及相互连接的耦合特性。重点分析了传输导线及放大器对电路特性的影响,最终给出了一个测量电路的总体网络函数。 水下爆炸压力测量不确定度评估方法的建立是本文的核心部分。基于水下爆炸压力测量的理论分析,提出以传递函数来表征水下爆炸压力测量动态不确定度,进而建立了三个环节动态不确定度的数学模型,并分析了影响因子的敏感性,从幅频及相频两个角度来诠释水下爆炸压力测量动态不确定度,从机理上体现了水下爆炸压力测量评价的核心本质。最后将系统的不确定度与待测压力信号频率权重特性结合起来,将系统对信号的测量不确定度指标采用一个无量纲数值描述,从而使评定结果更加直观、明了。 水下爆炸压力测量不确定度数学模型是建立在理论分析的基础上,其实用性需要通过试验进行验证。本文通过自研压力传感器及放大器组成了压力测量系统,应用所建立的不确定度数学模型,实验研究了测量系统中各要素对波形的影响规律,并对PCB水爆炸压力测量系统测得的波形也进行了研究,验证了不确定度数学模型的实用性。最后对试验涉及到两个测量系统进行了压力测量不确定度评定。 以上研究内容从本质上分析了水下爆炸压力测量的压电传递过程中的不确定度来源,通过传递函数将这个转换传递过程进行定量描述,得出了水下爆炸压力测量不确度的频率依赖属性,形成了对压力测量系统的适用性及可靠性更准确判断的方法,对于水下爆炸压力测量技术的提升和发展提供了有力的支持。


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