第1章 爆炸与冲击测试对象及测试系统
在爆炸和冲击过程的测试中，对被测对象的性质必须有一个比较完整的了解，如被测信号的幅度有多大、上升时间有多快、峰值衰减速率有多少以及时域脉冲宽度有多长等，才可能做好以下几项工作：
(1) 正确地选择传感器、放大器和记录仪器等，并合理地配置测试系统；
(2) 正确地确定测试系统的量程、频宽、记录长度、同步方法、触发方式、触发电平和触发位置等；
(3) 快速地判别记录信号的有效性；
(4) 正确地分析爆轰和冲击的时间间隔信号和物理量（压力或粒子速度）模拟信号。
本章主要介绍爆炸与冲击测试的对象、信号特征，电学测试系统、光学测试系统和光电测试系统特性与组成，测量误差与不确定度分析等基础知识。
1.1 爆炸与冲击测试对象及其信号特征
广义地说，爆炸指一种极为迅速的物理或化学的能量释放过程，在此过程中，系统的内在势能转变为机械功及光和热的辐射等。爆炸做功的根本原因在于系统原有高压气体或爆炸瞬间形成的高温高压气体或蒸汽的骤然膨胀。
爆炸的一个*重要的特征是在爆炸点周围介质中发生急剧的压力突跃，而这种压力突跃是爆炸破坏作用的直接原因。就引起爆炸过程的性质来看，爆炸现象可以分为物理爆炸、化学爆炸和核爆炸三类。
蒸汽锅炉或高压气瓶的爆炸，地震、强火花放电或高压电流通过金属丝引起的爆炸，物理的高速碰撞引起的爆炸均属物理爆炸。
悬浮于空气的粉尘，与空气混合的可燃气体、炸药等的爆炸，都属于化学爆炸。
核爆炸由核裂变或核聚变引起，释放的能量比炸药爆炸放出的化学能高得多。
本书的测试技术不涉及核爆炸过程本身，但可适用于核爆炸产生的对外做功效应的测试。此外，除爆炸之外的冲击动态过程也是本书测试技术涉及的重要对象。根据爆炸和冲击过程的物理本质和做功特性，可以把测试对象分为三个方面：①波动特性，主要包括爆轰波、冲击波和应力波等；②运动特性，主要包括位移、速度和加速度等；③能量特性，主要包括温度与光电效应等。
对于上述测量对象，只有波动特性强烈与信号特性相关，位移、速度、加速度的信号可归结为波动特性同类，而能量特性与信号的动力学特性无关，因此，这里只介绍波动信号特性。
1.1.1 爆轰波的信号特性
爆轰波是一种在炸药中传播的由快速化学反应支持的冲击波；显然，爆轰波只可能在炸药中传播，其波前为未反应炸药，其波后为爆炸产物。若爆轰波传播速度（简称爆速）是一个不随时间变化的常量，则把这种爆轰波定义为定常爆轰波；若爆速是一个随时间变化的变量，则把这种爆轰波定义为不定常爆轰波。对于定常爆轰波来说，其波后流动是不定常的。在平面对称一维流动条件下，定常爆轰波的后随流动称为泰勒波。在爆炸与冲击过程的宏观测试中，可以应用爆轰波简单理论（CJ理论和ZND模型）来分析与讨论爆轰波信号的特征。
1. 定常爆轰波波形特征
根据爆轰波理论，宏观均质炸药中传播的爆轰波若按波阵面形状来分类，可分为一维、二维及多维。一维爆轰波又分平面对称、轴对称（或称柱对称）和心对称（或称球对称）。在绝大多数爆炸实验中，爆轰波的波后流动属于二维轴对称；在实验室条件下当采用平面波发生器引爆炸药装药试件时，也只有邻近爆轰波波阵面的波后流动属于或接近宏观统计意义上的平面对称一维流动（或准平面对称一维流动）。
对于平面一维定常爆轰波，如果把参考坐标放到爆轰波的前沿冲击波波阵面上观察炸药的爆轰过程，按ZND模型，在爆轰波反应区中所有参量仅仅是空间位置的函数，不随时间而变。图1.1示意地表明了定常爆轰波的三个区域：图中I区为未反应炸药；Ⅱ区为爆轰波反应区；Ⅲ区为泰勒波区，或称爆炸产物不定常流动区。Ⅰ、Ⅱ区之间界面为N，即爆轰波前沿冲击波阵面，对于均质炸药，其空间宽度只有微米（μm）量级，其时域宽度为纳秒（ns）量级。Ⅱ区与Ⅲ区之间界面为CJ，也就是定常流动区与不定常流动区的边界。该界面上爆炸产物的质点速度等于声速，因此又称为声速面。所以在定常爆轰情况下，流入爆轰波前沿冲击波阵面N的未反应炸药的速度Dj为常量，而流出CJ面的爆轰产物的质点速度u*也为常量，且等于声速Cj，Ⅰ区和Ⅲ区中的流动是超声速的，而Ⅱ区中的流动是亚声速的。
图1.1 定常爆轰波的三个区域
当站在实验室坐标上观察定常爆轰过程时，爆轰波的反应区的波形不变，定常爆轰波的压力波形P=P(x，t)如图1.2所示。图中反应区的压力曲面，即N-CJ曲面，其剖面形状不变，也就是此曲面上所有的等压线均为直线。在反应区中，所有等压线在x-t平面上的投影满足以下关系：
(1.1)
式中，(xM， tM)为N-CJ曲面上的任意一点M在x-t平面上的投影坐标；(xN， tN)为N-CJ曲面上的峰值迹线上某一点的坐标。因此，在反应区中，对于确定的x坐标，所有参量仅是t的函数；或对于确定的时刻t，所有参量仅是空间坐标x的函数。在泰勒波中，不能满足上述的定常条件，所有参量是时间和空间的函数，介质的流动是不定常的。
图1.2 P-x-t空间中定常爆轰波压力波形
如果采用某种传感器在多个位置（不论是拉格朗日坐标位置还是欧拉坐标位置）上测量爆轰波压力，只要这种传感器的响应速率足够快，必能获得一组压力记录波形，这些波形中反应区波形可以重合在一起，如图1.3所示。图中所有泰勒波波形的起点（或称公共交汇点）是CJ点，起点之后就不重合了。测点离起爆面越远，记录波形就越平坦；测点距起爆面越近，记录波形衰减就越快。
图1.3 不同位置上记录的爆轰波形
凝聚炸药反应区的宽度是很窄的，空间域为0.2～0.6 mm，时间域为20～100 ns。使用拉格朗日传感器测量爆轰波及其波后流动的参数时，传感器敏感部分的响应时间必须在1～2 ns才可能较精确地测量前沿冲击波和反应区的波形。但目前常用的拉格朗日传感器敏感部分的响应时间有10～100 ns，记录的爆轰波反应区部分的压力或粒子速度模拟信号会出现严重畸变，或被湮没在敏感元件的响应过程之中。
实际上，当利用拉格朗日传感器记录炸药的爆轰波压力史或粒子速度史时，只有很少几种炸药的记录波形可分辨出其中一段是描绘爆轰反应区的波形，即使这一段波形已存在严重畸变。例如一些气体或液体的均质炸药、固体炸药TNT等，具有可分辨的爆轰反应区记录。
在工程上可应用的炸药绝大多数是非均质炸药，数学上的光滑平面或曲面爆轰波阵面是不存在的，所有拉格朗日量计的敏感部分所给出的模拟信号只能是一种宏观的统计信息。
另外，工程上测量炸药定常爆轰性能主要是为了对比炸药在特定条件下做功的能力。许多炸药的定常爆轰性能随炸药试件的几何尺寸而变，即“直径效应”。直径越大，爆速和爆压等爆轰参数值越高，当直径增大到爆轰参数不再随直径而变时，定义这个直径值为“极限直径”；当直径减小到定常爆轰不再发生时，定义这个直径值为“临界直径”。在大于临界直径、小于极限直径之间时，炸药的定常爆轰为非理想爆轰；大于极限直径的定常爆轰为理想爆轰。对于定常的非理想爆轰波及其波后流动的测量，必须注意到爆轰波的曲率半径及波后流动的复杂性。
在工程应用中，爆轰波几何形状是复杂的，极少接近平面，其波后流动多半是二维或三维的。如何在复杂的流场中合理地设置拉格朗日传感器或欧拉型传感器，也是一个必须考虑的问题。
2. 不定常爆轰波波形特征
炸药在外界强机械刺激作用下，如机械冲击、高速粒子碰撞和冲击波作用等，会发生起爆反应，起爆反应之后或者发展为稳定爆轰波，或者衰减成冲击波。炸药的冲击起爆特性反映了炸药的安全性（冲击波感度）。
不定常爆轰过程有几种发展途径，一种是加速的爆轰波，另一种是减速的爆轰波。前一种为常见的冲击起爆爆轰成长过程。后一种情况又有两种发展形式：一种可能衰减为无化学反应的冲击波，其波形特征类似于一般冲击波；另一种可能衰减到另一水平的定常爆轰。
图1.4示意地表明炸药冲击起爆爆轰成长过程不同拉格朗日位置上压力史变化情况，从图中可以看到前沿冲击波强度的增长过程。起爆面附近图中 X1曲线，为炸药中初始入射冲击波；X2和 X3截面上冲击波后有一个压缩波，这种压缩波不断地追赶并加强前沿冲击波的过程就是不定常爆轰波逐渐向定常爆轰波的过渡过程；距起爆面足够远 X4处，不定常爆轰已趋近于定常爆轰，波后流动是单调衰减的。
图 1.4 在不同拉格朗日位置上压力历史记录示意图
根据实测的记录波形，可以研究炸药冲击起爆反应动力学模型和参数。
1.1.2 冲击波信号的基本特征
冲击波是一种在固体或流体介质中传播的力学参量发生阶跃的扰动。在冲击波波阵面前后的压力、粒子速度、密度、内能、熵和焓等力学参量发生突变，在连续介质力学中用冲击波关系式来确定波前参量与波后参量之间的关系。冲击波波阵面的空间厚度很薄，一般只有 1～2个分子自由程，时域宽度也只有 1～2 ns；研究冲击波前沿是比较困难的，只能采用具有纳秒时间分辨率的光测技术。冲击波波阵面与其后随流动相比，时空域很小，许多冲击波压力或粒子速度等测试系统所记录的冲击波信号前沿通常都发生了严重畸变，但如何保证所测的峰值比较接近冲击波压力或粒子速度真值？这是本节要讨论的主要问题。
在平面对称一维流动中，如果把参考坐标固定在冲击波阵面上，冲击波阵面把流场分成两个区域，见图 1.5，图中Ⅰ区为超声速流动区，流入冲击波阵面 S波前的介质粒子速度（D.u0）大于声速 C0，即：
(1.2)
式中，D和 u0分别为实验室坐标上的冲击波速度和波前粒子速度；图中Ⅱ区为亚声速流动区，流出冲击波阵面 S的波后粒子速度（ D.u）小于弱扰动传播速度—声速 C，即：
(1.3)
式中，u为实验室坐标上的波后粒子速度。
图 1.5 冲击波的波前波后两个区域
可以得出波后的弱扰动传播速度（u+C）大于冲击波速度 D，即：
(1.4)
也就是冲击波的波后某剖面上的压力水平将会赶到冲击波阵面上取代前一个压力水平，因此多数冲击波峰值压力水平 PS是随时空变化的。冲击波的波后流动如图 1.6所示。图中画出了相对压力（ P/PS）与时间 t平面上的三种冲击波波形：
*，衰减型，炸药在空中、水中或岩土中爆炸形成的冲击波压力场具有这种波形。在这种情况下爆炸产物相当于衰减型的驱动活塞。
*，平台型，在平板飞片碰撞实验中靶板和飞片中会形成这种波形。在这种情况下飞片相当于一个恒速驱动活塞。空气激波管测量段中冲击波波形也是接近平台型。
*，增长型，空气激波管实验中在高压气室出口附近会形成这种波形。在这种情况下，由于破膜过程或快速阀门开启过程的非瞬时性，使低压室中空气冲击波不能立即形成，相应地，高压气室中的高压气体相当于一个逐渐增速的驱动活塞。
在爆炸与冲击过程的测量中，出现增长型的冲击波概率小，此处不再论述；本小节主要分析衰减型和平台型冲击波信号的基本特征。
图 1.6 相对压力（P/PS）与时间 t平面上的三种冲击波波形
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