一種彈體入水沖擊波陰影成像可視化系統及其試驗研究*

2022-03-17 07:25:08姜雄文郭子濤

爆炸與沖擊 2022年2期

趙庚，陳拓，姜雄文，郭子濤，張偉

（1. 哈爾濱工業大學高速撞擊動力學實驗室，黑龍江哈爾濱 150080；2. 中國礦業大學力學與土木學院，江蘇徐州 221116）

高速彈體入水產生的沖擊波對彈體水下運動和毀傷效能有著重要影響。具體來說，高速彈體入水前，彈體在空氣中產生的激波會與水面發生相互作用，導致氣水界面的擾動，進而影響彈體入水的姿態。另外，高速彈體入水過程中產生的沖擊波不僅會對水下目標造成一定的損傷，而且會對空泡擴展等造成影響，進而改變彈體的水下運動和毀傷效能。為清晰、連續地記錄高速彈體入水產生沖擊波的瞬態變化過程，可視化系統的設計就成為彈體入水沖擊波試驗研究的關鍵問題之一。國外學者已開展了一些彈體入水沖擊波可視化方面的研究。在早期，McMillen 等首次采用陰影成像得到彈體垂直入水產生沖擊波的可視化照片，通過沖擊波陣面的寬度來識別波的強度，得到了部分沖擊波傳播的衰減特性。McMillen提出當入水彈體的速度足夠大時，所形成的沖擊波陣面呈橢圓形，而當彈體速度不夠大時，沖擊波陣面呈半球形。近年來，Yamashita 等開展了球形和細長彈丸高速（1.5～2.0 km/s）入水的初步試驗，借助紋影法和陰影法分析得到彈體入水產生的初始沖擊波大約以聲速傳播。Swanson在大量實驗的基礎上，將陰影圖像與傳感器測量結果相結合得出了沖擊波強度衰減與彈體動能等的關系。羅小鵬等采用連續激光和脈沖火花光源拍攝了高速彈體斜侵徹入水流場的陰影和紋影照片，分析獲得了彈體入水前，入水時及入水后的流場特征。周杰等同樣對彈丸高速斜侵徹入水流場顯示進行了初步研究，使用高速激光陰影和紋影技術得到了彈丸入水流場的演化圖像，分析了入水前后彈體周圍流場的變化，特別是水中沖擊波的產生和傳播。黃威等對高速彈體水平侵徹水箱產生的沖擊波進行了可視化，總結了初始沖擊波強度的衰減特性。然而，對彈體入水沖擊波可視化的研究普遍存在成像視野較小的問題。因此，擴大成像視野對于開展充水容器中彈體入水沖擊波傳播及彌散方面的可視化研究具有重要的實際意義。

彈體入水沖擊波可視化研究主要需要借助紋影成像和陰影成像，這兩種技術都是基于密度場的光學測量技術。對于可壓縮流動來說，密度的不均勻性對應折射率的不均勻性，由此導致光學的不均勻性。紋影成像的原理是利用透鏡將有限大小的光源發出的光匯聚成平行光線，經過流場之后再匯聚到焦點處，在焦平面上放置一個刀口即構成了簡單的紋影裝置。當平行光線受到流場擾動時會向密度較高的區域偏折，利用刀口切掉某一方向的偏折光線，焦平面之后的光強分布反映流場的密度梯度沿刀口切割方向的變化。光屏放在焦平面之后即可獲取流場擾動的圖像。陰影成像的原理是將點光源發出的光線通過待測流場照在觀察屏上，當流場出現擾動時，觀察屏上就會出現陰影。兩種技術相比較而言，紋影成像技術的光路系統復雜，調試難度大，不適用于大視場實驗。而陰影成像技術的光路系統簡單，容易調試，可為大視場實驗提供強有力的解決方案，對流場沖擊波和擾動可視化研究具有簡單性和通用性，其中直接陰影成像法最為簡單，但可靠點光源的缺乏是阻礙其發展應用的瓶頸。相關研究主要采用大功率高頻近紅外激光光源，激光強烈，容易對人造成灼傷致盲，且空間相干，滿足要求的光源價格昂貴,一般成像常用的LED 光源亮度不夠。短弧氙燈是一種高亮度，顯色性好的光源，不存在灼傷致盲的風險，但滿足陰影成像的點光源不易獲取，且價格昂貴。因此，研制可靠的點光源對彈體入水沖擊波可視化研究十分必要。

本文基于中國生產的短弧氙燈燈管，自制易于操作、安全且滿足成像要求的短弧氙燈點光源，并根據陰影成像原理設計一種彈體入水沖擊波陰影成像可視化系統；運用該系統對高速彈體入水進行試驗研究，測量彈體入水沖擊波的陰影成像和沖擊波信號的壓力時程曲線，將陰影成像和沖擊波信號相結合來分析彈體入水沖擊波的傳播特性，并對其進行理論驗證。

1 彈體入水試驗

1.1 短弧氙燈點光源

基于國產短弧氙燈管自制的短弧氙燈點光源包括冷卻風扇、電極散熱片、短弧氙燈燈管、平凸透鏡、圓筒、調整機構、支承底座、球面反射鏡、機箱、控制電源（未圖示）等，點光源如圖1 所示。

圖1 點光源示意圖Fig. 1 Schematic diagram of point light source

短弧氙燈點光源工作時，短弧氙燈管的正極和負極均與電極散熱片連接，防止電極過熱；短弧氙燈管通過底部的散熱片與調整機構連接，而調整機構與機箱進行固定；短弧氙燈管的正負極分別與控制電源（未圖示）的正負極連接；在球面反射鏡的前面安裝短弧氙燈管，短弧氙燈管的弧隙位于球面反射鏡的焦點處，球面反射鏡通過調整裝置與機箱進行固定；在短弧氙燈管的前面安裝平凸透鏡組，平凸透鏡組包括三個平凸透鏡，短弧氙燈管的弧隙位于平凸透鏡的焦點處；平凸透鏡組通過圓筒固定并安裝在機箱上，固定透鏡組的圓筒可沿其中心線相對機箱進行位置調整，平凸透鏡組將平行光匯聚在其焦點處；冷卻風扇與短弧氙燈管同軸安裝在機箱的頂部，通過吹入冷風，實現對所述短弧氙燈燈管、球面反射鏡和平凸透鏡組等的冷卻散熱；機箱通過支承底座和高度調整機構與地面或者工作臺面接觸。

1.2 陰影成像可視化系統及其試驗

圖2 彈體入水沖擊波的陰影成像可視化系統Fig. 2 Shadowgraph visualization system of shock waves caused by water-entry projectiles

圖3 給出了試驗的布置情況。試驗所用彈體為直徑6 mm 的鋼球，質量為0.9 g。彈體發射裝置為氣炮，它由鋁型材結構支撐固定在水箱的上方，可通過調節氣炮的位置控制發射子彈的速度方向，通過控制氣室內壓力的大小控制發射子彈的速度大小。將氣炮、高速相機和計算機利用觸發器連接在一起，當按下觸發器時三者同時工作，這樣可以保證試驗數據的獲取。試驗時，高速相機拍攝幀率為20 000 s，分辨率為512×688，曝光時間為1 μs。在高速相機的相機鏡頭上安裝紫外線濾光鏡（ultra-violet, UV），在UV 鏡的中心粘貼10 mm 的直徑桿鏡，UV 鏡的作用是在不損壞相機鏡頭的前提下，將桿鏡固定在高速相機鏡頭的中心軸線上；短弧氙燈點光源與超高速數字相機的軸線成90°角, 短弧氙燈點光源中直徑為75 mm、焦距為200 mm 的平凸透鏡將平行光匯聚到其焦點處，并經桿鏡以光錐反射到正投反光屏，這里要保證光錐的中心與高速相機的鏡頭的中心同軸以避免造成雙重陰影圖像；如果在位置處有擾動或者透明的物體，就會因光線的彎曲折射在正投反光屏上形成直接陰影，通過高速相機記錄下來。

圖3 實驗裝置Fig. 3 Experimental set-up

水箱前后側面為透明PC 窗口，便于觀察記錄彈體在水中運動軌跡及沖擊波的變化。水箱尺寸為310 mm×334 mm×542 mm，試驗時水箱不注滿水，水深400 mm，這樣是為了觀察子彈在入水之前的狀態。實驗所用壓力傳感器靈敏度為2 370.4 pC/MPa，量程為10 MPa，諧振頻率不低于50 kHz，上升時間不超過10 μs。傳感器粘貼在右側水箱水面以下300 mm 壁面位置處，水箱及傳感器布置如圖3 所示。試驗電荷放大器設置通道的電荷放大倍數為0.1。試驗所用示波器的通道量程為10 V，1 通道為觸發源通道，觸發電壓為100 mV～2 V，觸發模式為上升沿觸發，耦合方式為直流，采樣率為2.5×10s。試驗時傳感器采集到的壓力信號需要經由電荷放大器放大顯示到示波器上。傳感器、電荷放大器和示波器組成了該系統的沖擊波信號采集部分。

2 結果分析和討論

本文試驗可利用提取高速相片像素點和標定相片中的幾何尺寸的方法，可以建立空間坐標系來描述彈體及沖擊波的運動。利用可視化系統獲取彈體入水產生沖擊波的陰影成像，利用壓力傳感器、電荷放大器及示波器等獲取沖擊波信號大小等信息。以直徑6 mm 的鋼球高速垂直入水為例，分析高速彈體入水產生沖擊波的過程及傳播特性。

2.1 彈體入水沖擊波的陰影成像

彈體出炮口產生的沖擊波如圖4 所示，可以清晰地看到炮口沖擊波和彈體在空氣中產生的尾激波和弓形激波。圖5 給出了彈體入水及空泡擴展過程，可以清晰的看到彈體在空氣中產生的激波，彈體入水后初始沖擊波的產生以及傳播過程，圖5 中以彈體進入水箱的時刻為時間零點。

圖4 球形彈體出炮口產生的沖擊波Fig. 4 The shock wave generated by the spherical projectile exiting the gun

圖5 彈體入水及空泡擴展過程Fig. 5 Processes of the projectile entering the water and its cavity expansion

如圖5 所示：0 ms 時刻，彈體距離水面一定距離，空氣和水位置處的亮度都比較均勻，其中水的亮度弱于空氣，空氣和水的交界面為一道明顯的黑色水平線；0.05 ms 時刻，彈體接近水面，彈體頭尾均有斜激波產生，分別是頭部的弓形激波和尾激波，由于相機拍攝幀數的限制，未看到彈體頭部激波與水面的相互作用過程；根據0 和0.05 ms 彈體中心位置處像素點坐標信息等可以得出彈體入水前的速度大小為1 072 m/s，炮口位置距離水面較遠時，未看到彈體發射時炮口沖擊波對于水面的影響，如果將炮口位置下移，則可以看到炮口沖擊波對于水面的影響；0.10 ms時刻，彈體撞擊水面在水中產生半球形沖擊波，沖擊波在彈體運動的前方，空氣中的斜激波與水面相交，彈體高速入水產生空泡和空化，同時彈體撞擊水面產生噴濺，光線在這些區域發生折射和散射，沒有到達后方的正投反光屏，在陰影成像的照片中呈現黑色；0.15 ms 時刻，彈體繼續侵徹水，水中產生的半球形沖擊波的半徑不斷變大，初始沖擊波在開始時刻，球形波紋很明顯，這意味著沖擊波的強度最大，空泡及水面噴濺顯著變大，空氣中的斜激波不斷向兩側移動，同時在水面噴濺區上方也產生了向上的激波，這是彈體頭尾部產生的斜激波在空氣和水的交界面反射形成的；根據0.10 和0.15 ms 半球形沖擊波波前中心位置處像素點坐標信息等可以得出這個時間段水下沖擊波平均速度大小為1 571 m/s；根據0.10 和0.15 ms 彈體中心位置處像素點坐標信息等可以得出這個時間段子彈平均速度大小為892 m/s；0.20 ms 時刻，水中初始產生的半球形沖擊波半徑不斷變大，沖擊波作用到水箱兩側的壁面；水箱側面壁面處的壓力傳感器開始記錄沖擊波信號；空泡及水面噴濺不斷變大，兩側的斜激波和向上的反射激波繼續傳播，隨后碰到水箱兩側的壁面發生反射，但是空氣中的激波并未引起空氣和水界面處的明顯變化；根據0.15 和0.20 ms 空氣中向上激波中心位置處像素點坐標等信息可以得出這個時間段空氣激波平均速度大小為418 m/s，空氣中的激波速度要比水中沖擊波的速度低很多，這是由于水中聲速要比空氣中的聲速高很多，0.25 ms 時刻，可以看到在初始沖擊波后面還有兩道比較明顯的沖擊波出現，這是球形沖擊波作用到前后PC 板上形成的；作用到水箱兩側壁面的沖擊波發生反射向中心傳播；0.30 ms 時刻，作用在水箱兩側壁面發生反射的沖擊波在水箱中心相交，并與空泡區域重疊；0.45 ms 時刻，水中向下傳播的沖擊波碰到水箱底部發生反射開始向上傳播，向兩側壁面傳播的沖擊波也發生反射開始向水箱中心傳播，此時水下沖擊波的傳播方向與彈體的運動方向相反；0.65 ms 時刻，水中向上傳播的沖擊波到達水面發生反射，開始向下傳播；0.70 ms 時刻，水中兩側的沖擊波在水面及兩側水箱壁面發生反射也開始向下傳播；根據0.65 和0.7 ms 沖擊波處像素點坐標信息等可以得出這個時間段水下沖擊波平均速度大小為1 518 m/s；根據0.65 和0.70 ms 彈體中心位置處像素點坐標信息等可以得出這個時間段子彈平均速度大小為250 m/s；與彈體入水初期0.10 至0.15 ms 相比，在相同的時間間隔內，水中黑色區域頭部移動的距離不斷減小，彈體速度顯著降低；這是由于水的密度大，球形鋼彈質量小，彈體高速入水后，水對彈體的阻力很大，彈體速度衰減很快；隨著沖擊波的向前傳播，并在水箱壁面和水面處反射，沖擊波的波紋逐漸減弱，沖擊波強度逐漸降低，水中沖擊波的傳播速度不斷降低；球形沖擊波的半徑逐漸增大，后期向下傳播的沖擊波幾乎成為平面。

本文利用陰影成像清晰展示了球形彈體高速入水過程中初始沖擊波的產生及其反射波的情況。沖擊波傳播過程中的明顯程度代表了沖擊波的強度，但只借助圖像處理很難定量地分析沖擊波的傳播特性，而且對于一定范圍的成像視野，高速相機所能達到的幀數有限。如圖5 所示，0.25 ms 時刻后，初始沖擊波通過傳感器所在位置，0.40 ms 時刻前后，側壁反射波傳播到傳感器位置。沖擊波傳播路徑如圖6 所示，容器中水深=0.4 m，容器直徑為0.31 m，傳感器位置到水面距離=0.3 m，彈體沿容器的對稱中心垂直入水。由于兩點之間直線最短，撞水點與的連線是初始沖擊波傳播到傳感器的最短波程。以側壁為對稱軸，將撞擊點和入射路徑鏡像至水箱外側，新生成的水箱外對稱點和的連線是反射波傳播到傳感器的最短波程。按照初期沖擊波的平均波速1 550 m/s 來估算，初始沖擊波和第一次反射波到達傳感器的時間差約為0.14 ms。下面可結合沖擊波信號采集部分測得的壓力信號對沖擊波傳播做進一步的分析。

圖6 沖擊波傳播路徑Fig. 6 Propagation path of the shock wave

2.2 沖擊波信號

沖擊波信號采集是彈體入水試驗的重要部分。沖擊波傳播過程中到達傳感器位置處，信號采集部分就會捕捉到壓力信號，然而只憑借傳感器測得的壓力信號，很難判斷分析初始沖擊波后的壓力峰值是水箱側壁還是底部反射波導致的。陰影成像照片清晰展示了沖擊波與水箱壁面的相互作用，陰影成像和沖擊波信號相結合可以更好地分析沖擊波的傳播特性。

2.2.1 沖擊波信號的處理

提取試驗中沖擊波原始信號如圖7 所示。利用自編軟件實現對壓力信號的處理和分析，具體如下：首先，沖擊波信號到達傳感器之前的時間可以看做是示波器自身產生的噪聲階段，其值應該在零附近。然后，對傳感器這段時間的信號去趨勢項，得出原始記錄與去趨勢項后的記錄的差值，用原始記錄減去這個差值，即可得所有時間段的去趨勢項處理后的記錄。為了尋找到沖擊波波前到達傳感器時的壓力信號峰值，以及峰值到達時刻，接著對信號進行平滑處理，增加記錄的信噪比。最終，經過上述處理后的記錄乘以電荷放大系數即可得沖擊波壓力值，沖擊波的壓力時程曲線如圖8 所示。第1 個波峰代表初始沖擊波的壓力峰值，峰值大小為1.605 MPa，第2 個波峰代表第1 次反射波的壓力峰值，兩個壓力峰值的時間差接近0.14 ms，與陰影成像中分析的時間差一致，隨著沖擊波傳播并在水箱壁面和水面處不斷反射，沖擊波強度逐漸降低。