空氣沖擊波測試系統(tǒng)的組成及測試

空氣沖擊波（也稱爆炸沖擊波或爆轟波在空氣中的傳播形式）是爆炸、爆破、燃?xì)獗?、軍事試?yàn)等場景中最關(guān)鍵的破壞性參數(shù)之一。它以超音速傳播，產(chǎn)生瞬態(tài)高壓峰值（可達(dá)數(shù)MPa甚至更高），隨后快速衰減，伴隨負(fù)壓區(qū)和脈沖作用。準(zhǔn)確測量空氣沖擊波的超壓-時(shí)間曲線、峰值超壓、沖量、正壓作用時(shí)間等參數(shù)，對于評估爆炸威力、結(jié)構(gòu)破壞效應(yīng)、人員損傷閾值、防護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化至關(guān)重要。

下面從系統(tǒng)組成和典型測試方法兩個(gè)維度，系統(tǒng)介紹空氣沖擊波測試系統(tǒng)的構(gòu)建與實(shí)際操作要點(diǎn)。

一、空氣沖擊波測試系統(tǒng)的典型組成

一套完整的空氣沖擊波測試系統(tǒng)通常采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由以下核心部件構(gòu)成：

1.       沖擊波壓力傳感器（核心感知元件） 這是系統(tǒng)的“眼睛”，直接暴露在沖擊波路徑上，需承受瞬態(tài)壓力和高溫沖擊。常見類型包括：

o       壓電式傳感器：響應(yīng)（上升時(shí)間可達(dá)亞微秒級），適合捕捉陡峭上升沿和完整波形。典型如PCB、Kistler等品牌的自由場或表面安裝型傳感器。

o       壓阻式傳感器（MEMS或硅基）**：耐高溫、靜態(tài)響應(yīng)好，適合中低頻段或需要長期穩(wěn)定的場合。

o       應(yīng)變式傳感器：成本較低，但響應(yīng)稍慢。 傳感器安裝方式：自由場（懸掛或支架置于空氣中，避免反射干擾）、表面安裝（貼于靶板或結(jié)構(gòu)表面測反射壓）、坑埋式（模擬地面爆炸）。

2.       信號調(diào)理與放大模塊 傳感器輸出通常為微弱電荷或毫伏級電壓信號，需經(jīng)電荷放大器（壓電式專用）或電壓放大器/適配器放大、濾波、抗混疊處理?，F(xiàn)代系統(tǒng)常集成程控增益、低通濾波（截止頻率10kHz～100kHz可調(diào)）和抗電磁干擾設(shè)計(jì)。

3.       傳輸與防護(hù)線纜 爆炸現(xiàn)場電磁干擾強(qiáng)、沖擊波破壞力大，采用低噪聲同軸電纜或屏蔽雙絞線，長度根據(jù)測點(diǎn)距離（通常幾十米到數(shù)百米）。系統(tǒng)使用光纖傳輸隔離電磁干擾。

4.       高速數(shù)據(jù)采集與記錄系統(tǒng)

o       多通道高速采集儀：采樣率至少100kS/s～1MS/s/通道（瞬態(tài)模式），存儲(chǔ)深度足夠捕捉完整波形（256k～數(shù)M樣點(diǎn)/通道）。

o       支持內(nèi)/外觸發(fā)（常用爆炸閃光或壓力閾值觸發(fā)）、預(yù)觸發(fā)功能（捕捉上升沿前基線）。

o       現(xiàn)代系統(tǒng)多為網(wǎng)絡(luò)化嵌入式采集器，支持TCP/IP遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳和本地存儲(chǔ)。

5.       上位機(jī)軟件與后處理系統(tǒng) 用于參數(shù)設(shè)置、波形顯示、峰值/沖量自動(dòng)計(jì)算、曲線擬合（Friedlander擬合等）、多通道同步分析。常見軟件支持FFT分析、沖擊波速度計(jì)算等。

6.       輔助部件

o       同步觸發(fā)系統(tǒng)（閃光觸發(fā)器、GPS授時(shí)）。

o       防護(hù)裝置（傳感器防飛石罩、采集儀防爆箱）。

o       電源（電池或穩(wěn)壓供電，確保現(xiàn)場斷電不丟數(shù)據(jù)）。

典型系統(tǒng)框圖：傳感器 → 放大/調(diào)理 → 傳輸線 → 高速采集儀 → 上位機(jī)/存儲(chǔ)器。

二、空氣沖擊波的典型測試方法

1.       測點(diǎn)布置原則

o       自由場測量：傳感器置于爆炸中心球?qū)ΨQ位置，距離爆源R（m），避免地面反射干擾。常用距離：近場（R<10倍藥量當(dāng)量直徑）、中場、遠(yuǎn)場。

o       多點(diǎn)陣列：沿徑向或球面布置多個(gè)傳感器，重建沖擊波時(shí)空場。

o       反射壓測量：傳感器貼剛性靶板，測反射超壓（通常為入射壓的2～8倍，視入射角）。

o       高度：傳感器軸線與爆心等高，避免地面邊界效應(yīng)。

2.       觸發(fā)與同步

o       內(nèi)觸發(fā)：壓力信號超過閾值自動(dòng)觸發(fā)。

o       外觸發(fā)：爆炸閃光、光電觸發(fā)器或無線同步。

o       多通道系統(tǒng)需納秒級同步（GPS或光纖同步）。

3.       數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置

o       采樣率：≥200kS/s（捕捉微秒級上升沿）。

o       量程：根據(jù)預(yù)計(jì)峰壓選擇（±100kPa～±10MPa多檔）。

o       濾波：低通截止頻率略高于沖擊波主頻（通常20kHz～100kHz）。

o       預(yù)觸發(fā)：記錄觸發(fā)10%～20%波形，確?；€穩(wěn)定。

4.       波形處理與關(guān)鍵參數(shù)提取

o       峰值超壓（P_max）：波形正壓值。

o       正壓作用時(shí)間（t+）：從上升到降至零的時(shí)間。

o       沖量（I）：正壓區(qū)積分 ∫P(t)dt。

o       波速：多點(diǎn)法測到達(dá)時(shí)間差計(jì)算（D = ΔR / Δt）。

o       使用Friedlander方程擬合理想波形：P(t) = P_max (1 - t/t+) exp(-b t/t+)。

o       去除反射干擾、電磁噪聲、基線漂移。

5.       現(xiàn)場防護(hù)與注意事項(xiàng)

o       傳感器前端加硅脂或防護(hù)罩，抑制高頻寄生振蕩。

o       采集儀置于防爆箱或遠(yuǎn)離爆源。

o       電磁屏蔽：全鏈路屏蔽，接地良好。

o       標(biāo)定：爆炸前用激波管或落錘動(dòng)態(tài)標(biāo)定，確保精度±5%以內(nèi)。

結(jié)語：從“測得到”到“測得準(zhǔn)”

空氣沖擊波測試系統(tǒng)已從傳統(tǒng)壓電+示波器，演進(jìn)到集成化、網(wǎng)絡(luò)化、高防護(hù)的現(xiàn)代方案。選擇合適的傳感器類型（壓電為主）、高速采集平臺和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)默F(xiàn)場布置，是獲得高保真波形的關(guān)鍵。在軍事、爆破工程、工業(yè)爆炸安全評估、防護(hù)材料驗(yàn)證等領(lǐng)域，這樣的系統(tǒng)已成為標(biāo)準(zhǔn)配置。

如果您正規(guī)劃相關(guān)試驗(yàn)，或需要針對特定場景（如近場、高溫、陣列測量）的優(yōu)化方案，歡迎進(jìn)一步交流——準(zhǔn)確的沖擊波數(shù)據(jù)，往往是安全與破壞評估的決定性一步。