任建峰

（中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所，成都 610036）

引言

沖擊作為振動環(huán)境的一個特例，主要特點體現(xiàn)為加速度峰值大，作用時間很短，主脈沖持續(xù)時間只有幾至幾十毫秒[1]。不同類型和用途的電子設(shè)備在其生命周期內(nèi)不可避免受到不同量級的沖擊作用。如手持電子設(shè)備的跌落沖擊、車載電子設(shè)備的碰撞沖擊、航天器及運載器電子設(shè)備的火工品爆炸沖擊等。沖擊載荷常會導(dǎo)致電子設(shè)備產(chǎn)生不同程度的損傷或失效[2]（如晶振斷裂、焊點脫落等），在電子設(shè)備的設(shè)計過程中需要有針對性地進(jìn)行抗沖擊能力評估和設(shè)計。而進(jìn)行抗沖擊能力評估和設(shè)計的基礎(chǔ)就是了解電子設(shè)備受到的沖擊載荷。因此，提取可以直觀表征沖擊載荷的電子設(shè)備沖擊響應(yīng)時域特征參數(shù)就具有重要意義。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，有關(guān)提取電子設(shè)備沖擊響應(yīng)時域特征參數(shù)的方法的公開文獻(xiàn)較少見。文獻(xiàn)[3]的附錄A中給出了沖擊響應(yīng)的描述方法和沖擊有效持續(xù)時間的定義，但并未針對具體的提取方法進(jìn)行描述。賀向清等提出一種基于時域沖擊面積的固體發(fā)動機(jī)跌落時沖擊試驗處理方法，實現(xiàn)了半正弦波峰值和脈寬處理的自動化、標(biāo)準(zhǔn)化，該方法適用于處理類正弦波的沖擊響應(yīng)數(shù)據(jù)，無法處理任意波形的沖擊響應(yīng)數(shù)據(jù)。張宇曦等[5]利用頻譜分割方法，通過將加速度信號分解為多個模態(tài)，有效地提取到了火炮的頻域沖擊特征，該方法時時頻方法，用于火炮故障的識別，無法用于提取電子設(shè)備沖擊響應(yīng)時域特征參數(shù)。潘高元等[6]利用同步擠壓S 變換SSST的信號處理方法，有效地從滾動軸承故障信號中提取出沖擊特征，該方法同樣是頻域方法無法用于提取電子設(shè)備沖擊響應(yīng)時域特征參數(shù)。綜上所述，公開的研究成果無法直接用于提取電子設(shè)備沖擊響應(yīng)時域特征參數(shù)的方法，需要進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)研究工作，建立完整的提取電子設(shè)備沖擊響應(yīng)時域特征參數(shù)的方法。

本文擬在文獻(xiàn)[3]中附錄A 的基礎(chǔ)上，以電子設(shè)備沖擊實驗測量得到的沖擊時域響應(yīng)數(shù)據(jù)為入口，分析實測數(shù)據(jù)的一般特性，進(jìn)一步明確表征電子設(shè)備沖擊響應(yīng)時域特征參數(shù)，構(gòu)建一套完整的提取電子設(shè)備沖擊響應(yīng)時域特征參數(shù)的方法，并編制計算機(jī)程序，實現(xiàn)電子設(shè)備沖擊響應(yīng)時域特征參數(shù)的自動提取。

1 沖擊時域響應(yīng)的實測數(shù)據(jù)

工程上電子設(shè)備產(chǎn)品的耐沖擊環(huán)境性能需要通過沖擊試驗來檢驗。沖擊時域響應(yīng)可以通過由高速數(shù)據(jù)采集儀、傳感器和計算機(jī)構(gòu)成的測量系統(tǒng)來進(jìn)行采集、記錄。一個典型的電子設(shè)備沖擊時域響應(yīng)加速度實測數(shù)據(jù)如圖1 所示。該沖擊時域響應(yīng)呈單峰特征[7]，明顯有3 個分段構(gòu)成：分段I：沖擊前分段，該分段記錄了沖擊試驗中沖擊載荷施加前的一段時間內(nèi)數(shù)據(jù)采集儀記錄的本底噪聲數(shù)據(jù)；分段II：沖擊中分段，該分段記錄了沖擊載荷施加后，響應(yīng)達(dá)到峰值并迅速衰減的整個過程；分段III，沖擊后分段，該分段記錄了沖擊施加后的殘余響應(yīng)數(shù)據(jù)，理想情況下，分段I 和分段III 的數(shù)據(jù)基本一致。

圖 1 沖擊時域響應(yīng)實測數(shù)據(jù)示例

然而，部分情況下，由于電子設(shè)備產(chǎn)品復(fù)雜動態(tài)特性的影響，可能在分段III 中出現(xiàn)峰值遠(yuǎn)小于分段II 中峰值的二次脈沖。工程經(jīng)驗表明該二次脈沖對電子設(shè)備造成損傷可以忽略。本文中經(jīng)主要針對典型的沖擊時域加速度響應(yīng)實測數(shù)據(jù)來開展后續(xù)研究工作。

2 沖擊響應(yīng)時域特征參數(shù)

文獻(xiàn)[3]中指出沖擊響應(yīng)的時域特征可以用幅值和持續(xù)時間來描述。以此為基礎(chǔ)，結(jié)合特征參數(shù)的物理含義與電子設(shè)備的沖擊時域響應(yīng)的具體特性來確定電子設(shè)備沖擊響應(yīng)的時域特征參數(shù)。

幅值方面，由于電子設(shè)備的沖擊時域響應(yīng)是時間的任意函數(shù)，不能用典型的周期性脈沖來描述，這樣用來描述周期性脈沖的幅值就不適合作為電子設(shè)備的沖擊時域響應(yīng)的特征參數(shù)。然而考慮到周期性脈沖幅值的物理意義實質(zhì)上是整個脈沖周期的峰值。推廣這個概念到電子設(shè)備的沖擊時域響應(yīng)，這里用沖擊峰值作為沖擊響應(yīng)的時域特征參數(shù)之一。沖擊峰值定義為整個沖擊時域響應(yīng)數(shù)據(jù)中的絕對最大值，記為Ap。

持續(xù)時間方面，文獻(xiàn)[3]給出了兩種定義：①包含絕對值超過1/3 最大峰值A(chǔ)p的所有時間歷程幅值所對應(yīng)的最小時間長度；②包含至少90 %的大小超過最大均方根幅值10 %的均方根時間歷程幅值所對應(yīng)的最小時間長度。工程應(yīng)用中，也可以用目視方法確定有效持續(xù)時間[8]。綜合考慮電子設(shè)備的沖擊時域響應(yīng)復(fù)雜性和衰減延遲特點，并結(jié)合文獻(xiàn)[3]中的兩個定義和目視法，這里將持續(xù)時間取為包含所有絕對值不小于沖擊峰值A(chǔ)p10%的局部峰值的最小時間段，記為Te。

3 特征參數(shù)的提取方法及程序

3.1 特征參數(shù)提取方法

基于前述分析和定義，提出對沖擊響應(yīng)的時域特征參數(shù)思路：遍歷實測時間歷程數(shù)據(jù)，獲取最大沖擊峰值A(chǔ)p 以及峰值前第一個幅值為10 %Ap的時刻（記為起始時刻T1）和峰值后最后一個幅值為10 %Ap的時刻（記為結(jié)束時刻T2），則持續(xù)時間Te= T2- T1。具體地這個過程包括4 個步驟：①對沖擊響應(yīng)時域?qū)崪y數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；②抽取經(jīng)預(yù)處理的沖擊響應(yīng)時域?qū)崪y數(shù)據(jù)的所有局部峰值，構(gòu)成局部峰值變量，并提取沖擊峰值A(chǔ)p；③以沖擊峰值為分割點，分別對局部峰值向量的上升段和下降段進(jìn)行單調(diào)化；④按照第2 節(jié)中持續(xù)時間Te的定義，從單調(diào)化的局部峰值向量中提取特征參數(shù)Te。

3.1.1 沖擊響應(yīng)時域?qū)崪y數(shù)據(jù)預(yù)處理

沖擊響應(yīng)時域?qū)崪y數(shù)據(jù)中不可避免的存在零飄、噪聲等因素的干擾，需要對實測數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以排除零飄、噪聲等因素的影響。本文中預(yù)處理主要依次完成去除零飄、絕對值化和去除噪聲三項工作。

零飄是測量傳感器本身的原因?qū)е碌?，一般可以通過補(bǔ)償或測試前清除。如果由于疏忽零飄引入了實測數(shù)據(jù)中，就需要將零飄從實測數(shù)據(jù)清除。零飄清除是通過直接在實測數(shù)據(jù)中減去零飄值。本文中根據(jù)電子設(shè)備沖擊響應(yīng)時域?qū)崪y數(shù)據(jù)的特點，取分段I 中某段數(shù)據(jù)的均值作為零飄值。

對去除零飄的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行絕對值化操作，將電子設(shè)備沖擊響應(yīng)時域?qū)崪y數(shù)據(jù)中的小于0 的值全部取正。這樣為后續(xù)去除噪聲和提取沖擊峰值A(chǔ)p提供便利。經(jīng)過去除零飄和絕對值化的實測數(shù)據(jù)的噪聲變?yōu)閱蜗蛟肼?，這里采用數(shù)值低于噪聲水平的數(shù)據(jù)置零的方式去除噪聲。噪聲水平界定為沖擊峰值A(chǔ)p的1 %。圖 2 是預(yù)處理前后的數(shù)據(jù)示例。

圖2 預(yù)處理前后的數(shù)據(jù)示例

3.1.2 提取局部峰值變量和沖擊峰值

針對預(yù)處理后的實測數(shù)據(jù)提取其所有局部峰值，并構(gòu)建局部峰值變量。在實測數(shù)據(jù)當(dāng)某個數(shù)據(jù)值均大于與其相鄰的兩個數(shù)據(jù)值時，數(shù)據(jù)值就是一個局部峰值，記錄該局部峰值及其出現(xiàn)的時刻。遍歷整個預(yù)處理后的實測數(shù)據(jù)，就得到了預(yù)處理后的實測數(shù)據(jù)局部峰值變量，最大的局部峰值即為沖擊峰值A(chǔ)p。圖 4 示例了從預(yù)處理后的響應(yīng)實測數(shù)據(jù)（圖中灰虛線）提取的局部峰值變量（圖中粗實線）。局部峰值變量構(gòu)成了預(yù)處理后響應(yīng)實測數(shù)據(jù)的輪廓或包絡(luò)。

3.1.3 局部峰值變量單調(diào)化

局部峰值變量以峰值為分界，可分為上升段和下降段，并且在上升段和下降段局部峰值并不是沿時間軸單調(diào)的。顯然，這不利于迅速、準(zhǔn)確找到時刻T1和時刻T2。因此需要對局部峰值變量的上升段和下降段進(jìn)行單調(diào)化處理，使其沿時間軸單調(diào)，即在上升段前一時刻的局部峰值小于后一時刻的局部峰值，反之亦反之。

對上升段，首先記錄第一個局部峰值和對應(yīng)時刻，并將這個局部峰值幅值給一個中間變量，然后將第二個局部峰值與中間變量值進(jìn)行比較，當(dāng)?shù)诙€局部峰值小于中間變量值時，不改變中間變量值，其他情況下，更新記錄該局部峰值和對應(yīng)時刻，并更新中間變量值。不斷重復(fù)這個步驟，直至達(dá)到?jīng)_擊峰值A(chǔ)p。更為形象地這個過程的流程如圖 3 所示。

同樣的方法可以用以對下降段進(jìn)行單調(diào)化處理。圖4 是單調(diào)化后的局部峰值變量示例（黑色圓點標(biāo)記的點劃線）。單調(diào)化后的局部峰值變量實質(zhì)是預(yù)處理后響應(yīng)實測數(shù)據(jù)的峰值包絡(luò)。

圖4 局部峰值示例

3.1.4 提取特征參數(shù)Te

沖擊響應(yīng)持續(xù)時間Te，通過求沖擊的結(jié)束時刻T2和沖擊的起始時刻T1的差值獲取。沖擊的起始時刻T1需要在單調(diào)后的局部峰值變量的上升段中以差值方式獲得，沖擊的結(jié)束時刻T1需要在單調(diào)后的局部峰值變量的下降段中以插值方式獲得，如圖 5 所示，具體插值過程可以采用已有算法和工具這里限于篇幅不再贅述。

圖5 持續(xù)時間Te 提取示意圖

3.2 編制計算機(jī)程序

利用編程語言將4.1 節(jié)的沖擊響應(yīng)時域特征參數(shù)提取方法編制成計算機(jī)程序，整個程序封裝成一個主函數(shù)，其輸入為沖擊響應(yīng)時域?qū)崪y數(shù)據(jù)，輸出為沖擊響應(yīng)時域特征參數(shù)。去零飄、絕對值化、去噪聲等預(yù)處理功能和構(gòu)成局部峰值變量并提取沖擊峰值A(chǔ)p、局部峰值變量單調(diào)化以及提取沖擊持續(xù)時間等功能均封裝為子函數(shù)。主函數(shù)通過調(diào)用這些子函數(shù)實現(xiàn)沖擊響應(yīng)時域特征參數(shù)提取操作。圖 6 是本文計算機(jī)程序的流程圖。

圖 3 上升段單調(diào)化流程圖

圖6 流程圖

4 不同方法提取的特征參數(shù)對比

為了驗證本文沖擊響應(yīng)時域特征參數(shù)提取方法正確性，這里將對4 組電子設(shè)備沖擊響應(yīng)時域?qū)崪y數(shù)據(jù)（圖 7）同時使用本文方法和使用文獻(xiàn)[3]沖擊持續(xù)時間定義（2）進(jìn)行的時域特征參數(shù)提取，并將結(jié)果進(jìn)行對比。沖擊峰值A(chǔ)p方面兩種方法得到的結(jié)構(gòu)是相同的，這里不再對比。僅將沖擊持續(xù)時間Te的結(jié)果列在表 1 中比較，并以文獻(xiàn)[3]方法得到結(jié)果為基準(zhǔn)進(jìn)行相對誤差計算。

圖7 沖擊響應(yīng)實測數(shù)據(jù)

表 1 數(shù)據(jù)顯示本文方法得到?jīng)_擊持續(xù)時間參數(shù)與文獻(xiàn)[3]中沖擊持續(xù)時間定義（2）得到?jīng)_擊持續(xù)時間參數(shù)相對誤差很小，絕對差距也很小，但本文方法得到?jīng)_擊持續(xù)時間稍短。數(shù)據(jù)對比本文提出的方法是正確的、可信的。

表1 沖擊持續(xù)時間Te 比較

5 結(jié)束語

本文分析了電子設(shè)備沖擊響應(yīng)實測數(shù)據(jù)的特點；明確了沖擊響應(yīng)的2 個時域特征參數(shù)：沖擊峰值A(chǔ)p和沖擊持續(xù)時間Te；提出了一種提取電子設(shè)備沖擊響應(yīng)時域特征參數(shù)方法，主要包括數(shù)據(jù)預(yù)處理、構(gòu)成局部峰值變量和沖擊峰值A(chǔ)p、局部變量單調(diào)化以及提取沖擊持續(xù)時間Te四個步驟；編制了計算機(jī)程序，取得了與文獻(xiàn)[3]中沖擊持續(xù)時間定義（2）相近的結(jié)果。由于本文方法不用依賴人員經(jīng)驗選定時間間隔、反復(fù)計算時間歷程均方根值，提高了效率、節(jié)約了計算資源。