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[摘 要]总结水下爆炸事故的后果能够发现，非接触爆炸产生的冲击，往往会对船体、设备、人员造成不同程度的损伤，并严重影响船体的生命力。因此，本文就基于小波分析的实船水下爆炸船体冲击响应特征展开分析，以试验论证为主要方式，通過小波分析与能量统计的，对船体的相应信号进行时频特性分析，意在丰富水下爆炸载荷作用下，船体结构冲击震动响应机理的相关理论，并未相关船体结构、设备、人员的防护措施优化，提供可靠依据。
[关键词]小波分析；水下爆炸；船体响应特征
中图分类号：U661.4；O38 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）41-0074-01
前言：在行船过程中，一定范围内的水下爆炸将会对船体造成一定程度的非接触冲击震动，由此引发水面船体的损伤。而通过小波分析，能够根据船体响应特征，包括信号在不同频段上的能量、强度与作用时间，明确水下爆炸冲击振动响应规律，这对提升相关防护策略的可靠性、可行性，具有重要意义。
1.实船水下爆炸船体冲击响应试验
以某次实船水下爆炸实验条件下的船体冲击响应数据为本次研究数据，试验地点为某开阔海域，爆炸之前船体在水面上处于自由状态。此次试验过程中，水下爆炸对船体造成的是非接触冲击，分析试验数据能够发现，爆炸造成的非接触冲击，对船体的不同部位与不同方向，造成了不同程度的影响，其中船体垂直方向的冲击速度，对船体、设备、人员造成的损伤最为严重。为细化研究实船水下爆炸船体冲击响应的时频特征，选取某一工况下的3处典型船体部位冲击相应数据。该3处测点数据均取自垂直冲击响应，分别位于相邻的3层甲板上，主甲板（甲板1）、主甲板向上一层的建筑甲板（甲板01）、主甲板向下一层的底层甲板（甲板2）。数据的采集运用的是加速度传感器（有安装座焊接在纵桁上，而传感器则通过螺纹固定在安装座上），数据采集仪器的采样频率为20 kHz。
2.基于小波分析的船体冲击响应特征
采用小波分析对实船水下爆炸船体冲击响应特征进行分析，分析理论如下：有任意信号f（t）∈L2（R）；其中L2（R）表示能量有限信号空间，而f（t）就为能量有限信号。此时f（t）∈L2（R） |f（t）|2dt<+ 。若 ∈L2（R），则要求其傅里叶变换 能够满足如下容许性条件： = |w|-1| |2dt< 。若此时 有界，则可称 为一个母小波或基小波；对得到的母小波进行伸缩和平移处理之后，将得到一个小波序列， a，b（t）=|a|-1/2 [（t-b）/a]（其中，a与b分别为伸缩因子、平移因子，a，b∈R，且a≠0）。最终得到母小波的连续小波变换式：
（ f）（a，b）= f， a，b =|a|-1/2 f（t）
其中， 为 [（t-b）/a]的共轭运算。
2.1 冲击响应信号的小波变换特征
将试验数据与上述分析理论结合，即对冲击响应信号进行小波分解，能够得到相关分解信号，为保证得到的分解信号能够真实反映水下爆炸船体冲击响应特征，需要对分解后的信号进行重构，并将重构后的信号与实测信号进行对比，由此验证小波分解的可靠性[1]。通过基于db4与db8小波基函数的小波变化之后，确定运用基于db8小波基函数，分解过程中产生的变化误差相对较小；就此中分解方式进行验证，对此实测信号与重构信号，相对误差的量级为10-10级别，由此可以确定，采用小波基分解冲击响应信号，能够获得几乎真实的测试信号对应情况。
采用这种分析方法，得到变换后的冲击响应分解信号后，能够进一步得到船体冲击响应各分层重构信号的时历曲线，与此同时，还能得到不同频带信号的作用时间与衰减过程，在此基础上即可对实船水下爆炸船体冲击响应的时频特征，展开全面分析。
2.2 冲击响应能量的分布特征
利用小波分析，对获得的实船水下爆炸船体冲击响应信号进行分层重构，由此能够得到不同频段上对应的冲击响应能量分布状态。在实际分析过程中，应分别根据甲板01、甲板1和甲板2测点的冲击响应小波，完成信号的变换与分层重构，并对各自的能量分布特征进行统计。
3.试验结果讨论
3.1 小波频段信息反映的实船水下爆炸船体冲击振动特征
水下爆炸将会引发3种现象，分别是气泡运动、冲击波与二次压力波。在爆炸发生之后，首先作用于船体的是冲击波，其次是气泡运用，最后才是由气泡脉动而形成的二次压力波[2]。在本次试验过程中，由于实验过程为远距离非接触爆炸试验，所以二次压力波对船体造成的影响可以忽略不计。由小波变换得到相应图像之后，方便研究人员更加准确的了解不同频段冲击振动衰减状况以及作用时间，在此基础上能够得到如下结论：冲击振动明显分为2个阶段，最初阶段的振动幅值会在短时间内达到最大，然后在震荡作用下迅速衰减；衰减到一定程度之后，振动幅值将再次增大然后衰减。其中，前一个峰值由冲击波造成；第二次峰值则由滞后流造成。
3.2 小波频段信息反映的船体不同甲板层的冲击响应特征
分析试验数据能够得到结论，当船体遭遇水下爆炸的非接触冲击之时，船体外板是最先承受冲击载荷的部位，然后船体的冲击运动，会通过板壳、舱壁、肋板等垂直结构，向上逐层传递。经过小波分析处理的不同层甲板的冲击响应时频特征信息反映，不同甲板层的能量分布特征存在较大差异，选取响应信号中前5个小波频带能量分数进行对比，甲板2的为87.1%，甲板1的为84.29%，甲板01的为51.88%，由此可见，上层建筑甲板上的人、设备所承受的垂直方向的加速度最低。
结束语：综上所述，基于小波分析的实船水下爆炸船体冲击响应特征，清晰的呈现出冲击响应信号在不同频率段上的能量与信号强度。在船体的不同部位，遭受的冲击振动存在一定差异，其中主甲板以下的位置，振动能量与冲击加速度的峰值为中高频段；而上层甲板位置的振动能量趋近于低频段。遵循此种振动响应规律，能够指导相关人员做好船体及自身的防护措施，提升行船安全。
参考文献：
[1]李海涛，朱石坚，刁爱民，牟金磊.水下爆炸作用下对称结构船体梁整体损伤特性研究[J].船舶力学，2017，21（08）：983-992.
[2]于福临. 实船非接触水下爆炸试验测试及响应特性研究[D].哈尔滨工程大学，2016.
现代测绘工程技术及其发展趋势分析
[关键词]小波分析；水下爆炸；船体响应特征
中图分类号：U661.4；O38 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）41-0074-01
前言：在行船过程中，一定范围内的水下爆炸将会对船体造成一定程度的非接触冲击震动，由此引发水面船体的损伤。而通过小波分析，能够根据船体响应特征，包括信号在不同频段上的能量、强度与作用时间，明确水下爆炸冲击振动响应规律，这对提升相关防护策略的可靠性、可行性，具有重要意义。
1.实船水下爆炸船体冲击响应试验
以某次实船水下爆炸实验条件下的船体冲击响应数据为本次研究数据，试验地点为某开阔海域，爆炸之前船体在水面上处于自由状态。此次试验过程中，水下爆炸对船体造成的是非接触冲击，分析试验数据能够发现，爆炸造成的非接触冲击，对船体的不同部位与不同方向，造成了不同程度的影响，其中船体垂直方向的冲击速度，对船体、设备、人员造成的损伤最为严重。为细化研究实船水下爆炸船体冲击响应的时频特征，选取某一工况下的3处典型船体部位冲击相应数据。该3处测点数据均取自垂直冲击响应，分别位于相邻的3层甲板上，主甲板（甲板1）、主甲板向上一层的建筑甲板（甲板01）、主甲板向下一层的底层甲板（甲板2）。数据的采集运用的是加速度传感器（有安装座焊接在纵桁上，而传感器则通过螺纹固定在安装座上），数据采集仪器的采样频率为20 kHz。
2.基于小波分析的船体冲击响应特征
采用小波分析对实船水下爆炸船体冲击响应特征进行分析，分析理论如下：有任意信号f（t）∈L2（R）；其中L2（R）表示能量有限信号空间，而f（t）就为能量有限信号。此时f（t）∈L2（R） |f（t）|2dt<+ 。若 ∈L2（R），则要求其傅里叶变换 能够满足如下容许性条件： = |w|-1| |2dt< 。若此时 有界，则可称 为一个母小波或基小波；对得到的母小波进行伸缩和平移处理之后，将得到一个小波序列， a，b（t）=|a|-1/2 [（t-b）/a]（其中，a与b分别为伸缩因子、平移因子，a，b∈R，且a≠0）。最终得到母小波的连续小波变换式：
（ f）（a，b）= f， a，b =|a|-1/2 f（t）
其中， 为 [（t-b）/a]的共轭运算。
2.1 冲击响应信号的小波变换特征
将试验数据与上述分析理论结合，即对冲击响应信号进行小波分解，能够得到相关分解信号，为保证得到的分解信号能够真实反映水下爆炸船体冲击响应特征，需要对分解后的信号进行重构，并将重构后的信号与实测信号进行对比，由此验证小波分解的可靠性[1]。通过基于db4与db8小波基函数的小波变化之后，确定运用基于db8小波基函数，分解过程中产生的变化误差相对较小；就此中分解方式进行验证，对此实测信号与重构信号，相对误差的量级为10-10级别，由此可以确定，采用小波基分解冲击响应信号，能够获得几乎真实的测试信号对应情况。
采用这种分析方法，得到变换后的冲击响应分解信号后，能够进一步得到船体冲击响应各分层重构信号的时历曲线，与此同时，还能得到不同频带信号的作用时间与衰减过程，在此基础上即可对实船水下爆炸船体冲击响应的时频特征，展开全面分析。
2.2 冲击响应能量的分布特征
利用小波分析，对获得的实船水下爆炸船体冲击响应信号进行分层重构，由此能够得到不同频段上对应的冲击响应能量分布状态。在实际分析过程中，应分别根据甲板01、甲板1和甲板2测点的冲击响应小波，完成信号的变换与分层重构，并对各自的能量分布特征进行统计。
3.试验结果讨论
3.1 小波频段信息反映的实船水下爆炸船体冲击振动特征
水下爆炸将会引发3种现象，分别是气泡运动、冲击波与二次压力波。在爆炸发生之后，首先作用于船体的是冲击波，其次是气泡运用，最后才是由气泡脉动而形成的二次压力波[2]。在本次试验过程中，由于实验过程为远距离非接触爆炸试验，所以二次压力波对船体造成的影响可以忽略不计。由小波变换得到相应图像之后，方便研究人员更加准确的了解不同频段冲击振动衰减状况以及作用时间，在此基础上能够得到如下结论：冲击振动明显分为2个阶段，最初阶段的振动幅值会在短时间内达到最大，然后在震荡作用下迅速衰减；衰减到一定程度之后，振动幅值将再次增大然后衰减。其中，前一个峰值由冲击波造成；第二次峰值则由滞后流造成。
3.2 小波频段信息反映的船体不同甲板层的冲击响应特征
分析试验数据能够得到结论，当船体遭遇水下爆炸的非接触冲击之时，船体外板是最先承受冲击载荷的部位，然后船体的冲击运动，会通过板壳、舱壁、肋板等垂直结构，向上逐层传递。经过小波分析处理的不同层甲板的冲击响应时频特征信息反映，不同甲板层的能量分布特征存在较大差异，选取响应信号中前5个小波频带能量分数进行对比，甲板2的为87.1%，甲板1的为84.29%，甲板01的为51.88%，由此可见，上层建筑甲板上的人、设备所承受的垂直方向的加速度最低。
结束语：综上所述，基于小波分析的实船水下爆炸船体冲击响应特征，清晰的呈现出冲击响应信号在不同频率段上的能量与信号强度。在船体的不同部位，遭受的冲击振动存在一定差异，其中主甲板以下的位置，振动能量与冲击加速度的峰值为中高频段；而上层甲板位置的振动能量趋近于低频段。遵循此种振动响应规律，能够指导相关人员做好船体及自身的防护措施，提升行船安全。
参考文献：
[1]李海涛，朱石坚，刁爱民，牟金磊.水下爆炸作用下对称结构船体梁整体损伤特性研究[J].船舶力学，2017，21（08）：983-992.
[2]于福临. 实船非接触水下爆炸试验测试及响应特性研究[D].哈尔滨工程大学，2016.
现代测绘工程技术及其发展趋势分析