金屬導(dǎo)爆索的爆炸水聲特性*

賈 虎，沈兆武

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系，安徽 合肥230027;2.南陽師范學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，河南南陽473061)

第二次世界大戰(zhàn)以來，人們對水下爆炸進(jìn)行了系統(tǒng)研究，R.H.Cole［1］在有關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)闡述了水下爆炸的主要現(xiàn)象和基本規(guī)律，建立了比較完整的水下爆炸理論，但這些研究的重點(diǎn)主要是水下爆炸對目標(biāo)的破壞效應(yīng)。而上世紀(jì)80年代以來，隨著聲納探測技術(shù)和魚雷制導(dǎo)技術(shù)等的不斷發(fā)展，水聲對抗受到高度重視，開始對魚雷對抗技術(shù)進(jìn)行廣泛研究。作為軟殺傷式有效手段的水聲干擾器材，由于電聲效率低，存在空化現(xiàn)象和近場效應(yīng)，無法增加發(fā)射聲功率、實(shí)現(xiàn)很高的輻射聲功率。為了解決這一問題，必須大力發(fā)展深水炸彈或引爆式聲誘餌等硬殺傷性對抗技術(shù)，而這類技術(shù)還不成熟［2］。

為了探索更有效的水聲干擾源，進(jìn)行了含能材料水下爆炸實(shí)驗(yàn)和聲波特性參數(shù)測試的研究。D.E.Weston［3］研究了水下爆炸作為水下聲源在不同含能材料與裝藥量情況下的聲學(xué)特性，并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。潘正偉等［4］也對炸藥水中爆炸水聲特性進(jìn)行了初步研究，證明炸藥水下爆炸是高功率、寬頻帶的水聲干擾源。吳成等［5］測試了3種炸藥(TNT，RS211和RS3-4)的水下爆炸特性，比較了不同炸藥水下爆炸的聲波特性。由于現(xiàn)代艦艇的水中通訊、魚雷自導(dǎo)廣泛采用聲信號，因此可采用炸藥水下爆炸方法作為一種新的噪聲干擾源，對水中聲探測設(shè)備實(shí)現(xiàn)強(qiáng)噪聲壓制性干擾，對水下武器的制導(dǎo)系統(tǒng)產(chǎn)生威脅。但是炸藥水下爆炸持續(xù)時間短，不具有實(shí)際作戰(zhàn)意義，因此有必要研究水下連續(xù)爆炸聲信號。

沈兆武等利用具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型金屬導(dǎo)爆索生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)出的金屬導(dǎo)爆索側(cè)向約束力強(qiáng)、藥芯密度較高、裝藥均勻、線裝藥密度低、爆速穩(wěn)定，具有廣泛的發(fā)展前景［6］。在前期預(yù)研中，發(fā)現(xiàn)它能在水下產(chǎn)生連續(xù)爆炸聲信號，有望在水聲對抗中發(fā)揮作用。

本文中，為了探求高功率、寬頻帶、連續(xù)性的水聲干擾源，以水下爆炸理論為基礎(chǔ)對金屬導(dǎo)爆索水下爆炸水聲特性進(jìn)行研究，以期得到有效連續(xù)水聲干擾源，為水下對抗提供新的對抗手段。通過水下爆炸壓力測試和氣泡脈動實(shí)驗(yàn)，獲得金屬導(dǎo)爆索水下爆炸沖擊波傳播和衰減特性及氣泡脈動特性，研究金屬導(dǎo)爆索水下爆炸的聲壓級、聲持續(xù)時間、混響效應(yīng)和功率譜特性。

1 金屬導(dǎo)爆索水下爆炸實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)在?5 m×5 m的水下爆炸塔中進(jìn)行。采用外徑1.8 mm、長2.0 m、線裝藥量1.5 g/m的金屬導(dǎo)爆索作為爆炸聲源。金屬導(dǎo)爆索中點(diǎn)固定在水池的中軸線水下2.9 m的位置，傳感器固定在直徑1 mm的尼龍線上，尼龍線的下端掛配重物垂直放入水下，傳感器入水深度2.9 m，距離金屬導(dǎo)爆索1.0 m。信號采樣頻率為5 MHz。

從圖1可以看出，沖擊波壓力在3μs時間內(nèi)從零上升到峰值壓力pm=5.21 MPa，可見壓力幅值呈跳躍狀上升，隨后成指數(shù)近似衰減。定義從pm衰減到pm/e所需時間為特征時間［7］，θ=42μs，在θ之后，沖擊波的衰減緩慢多了。

金屬導(dǎo)爆索氣泡脈動周期可以通過水下爆炸實(shí)驗(yàn)獲得的壓力曲線獲得，圖2是實(shí)驗(yàn)中測得的第1次氣泡脈動壓力曲線。由圖2可以精確確定氣泡脈動周期為約15 ms，雖然氣泡脈動壓力峰值為0.47 MPa，不到?jīng)_擊波壓力峰值的10%，但比沖擊波峰值壓力持續(xù)時間長很多。

圖1 金屬導(dǎo)爆索水下爆炸沖擊波壓力Fig.1 Shockwave pressure-time curve of metal-clad detonating cord

圖2 金屬導(dǎo)爆索氣泡脈動壓力Fig.2 Specific energy of shockwave-time curve of metal-clad detonating cord

2 水下爆炸聲持續(xù)時間

2.1 水下爆炸聲壓級

一定時間間隔內(nèi)的最大瞬時聲壓稱為峰值聲壓，也叫聲壓振幅，用pm表示。在一定時間間隔內(nèi)，瞬時聲壓的均方根值稱為有效聲壓

式中:T為所取的時間間隔;p為瞬時聲壓。

水下爆炸時有效聲壓與聲壓振幅之間的關(guān)系為［8-10］

聲源級(單位為 dB)的定義［8-10］為

式中:pref為基準(zhǔn)瞬時聲壓。

如果選取1μPa為參考級，則水下爆炸聲壓級(pm的單位為μPa)

由于水介質(zhì)不是理想介質(zhì)，爆炸聲波能量在水中傳播時會發(fā)生轉(zhuǎn)換而被水吸收，因此在計算水下爆炸聲壓級時，必須考慮擴(kuò)散損耗lt(單位為dB)。

根據(jù)水下聲源傳播損失定義可得［8-10］(r的單位為m)

式中:r為目標(biāo)點(diǎn)距離水下爆炸聲源的距離;I1為距離水下爆炸聲源1 m處的聲強(qiáng);在水聲工程中，Ir為距離水下爆炸聲源r處的聲強(qiáng)。

以距離爆炸點(diǎn)1 m處的聲壓作為聲源級，則目標(biāo)點(diǎn)的聲壓級lsp(單位為dB)為

圖3 金屬導(dǎo)爆索水下爆炸聲壓級Fig.3 Sound pressure level ofmetal-clad detonating cord

圖3為金屬導(dǎo)爆索水下爆炸聲壓級時域圖。從圖中可以看出，金屬導(dǎo)爆索水下爆炸聲壓級完全可以達(dá)到200 dB以上，在持續(xù)15 ms以后時金屬導(dǎo)爆索的爆炸聲壓級仍在200 dB上下擺動，說明金屬導(dǎo)爆索水下爆炸具有很強(qiáng)的聲功率。

2.2 水下爆炸聲持續(xù)時間

氣泡脈動是水中爆炸的現(xiàn)象之一［11-12］。有限長金屬導(dǎo)爆索水下爆炸時，爆轟持續(xù)時間非常短，爆炸沖擊波壓力呈指數(shù)快速衰減。由圖1可以看出，沖擊波壓力的脈沖寬度僅為170μs左右，但金屬導(dǎo)爆索水下爆炸，會產(chǎn)生氣泡脈動，隨后產(chǎn)生大量氣泡，增加爆炸聲的持續(xù)時間。

采用高速攝影(拍攝幅頻為2 000 s－1)記錄的金屬導(dǎo)爆索水下爆炸的氣泡運(yùn)動規(guī)律，如圖4。

由圖4看出，金屬導(dǎo)爆索水下爆炸時第1次氣泡脈動過程基本上是柱型軸對稱的，在150 ms左右時氣泡脈動仍然非常明顯，說明金屬導(dǎo)爆索水下爆炸脈沖壓力波的寬度和持續(xù)時間比較長。在經(jīng)歷3次脈動后，氣泡逐漸潰滅，變成大量的小氣泡，在水下爆炸1 s之后水中仍有大量的小氣泡。雖然產(chǎn)生的氣泡脈動壓力峰值和隨后產(chǎn)生的大量小氣泡的壓力與沖擊波壓力相比微乎其微，但是這些現(xiàn)象卻能顯著增加水下混響效應(yīng)。當(dāng)聲納發(fā)射信號與氣泡脈動以及氣泡脈動過后產(chǎn)生的大量小氣泡相遇時，會在接收點(diǎn)迭加而形成無規(guī)則的聲散射，提高水下的混響效應(yīng)。

2.3 水下爆炸聲混響效應(yīng)

從圖4中可以看出，金屬導(dǎo)爆索作為水下爆炸聲源所產(chǎn)生的聲壓信號波形近似為一個平穩(wěn)、連續(xù)的波，水下爆炸聲壓級在200 dB左右擺動，持續(xù)時間可達(dá)15 ms以上。從圖4中可以看出，氣泡脈動和隨后產(chǎn)生的大量小氣泡持續(xù)時間較長，在1 s左右時水中仍有大量氣泡，這些氣泡可以對聲波產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射和散射作用，能顯著增加水下混響效應(yīng)，形成一定寬度的遮聲屏障?？梢娊饘賹?dǎo)爆索水下爆炸會產(chǎn)生強(qiáng)烈的混響效應(yīng)，水下爆炸聲持續(xù)時間較長。

圖4 金屬導(dǎo)爆索水下爆炸氣泡脈過程典型圖像Fig.4 Pictures of bubble pusles ofmetal-clad detonating cord

3 水下爆炸聲功率譜

在水下爆炸壓力信號分析中，功率譜密度并不代表真正物理意義上的功率或能量，但功率譜密度可以看成是一定頻率諧波分量能量的相對大小。采用Matlab工具，運(yùn)用Welch方法的海明窗函數(shù)［13］對金屬導(dǎo)爆索水下爆炸聲信號進(jìn)行分析，功率譜變化曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，金屬導(dǎo)爆索水下爆炸功率譜隨頻率的衰減變化規(guī)律為:在0～20 kHz迅速衰減，在20～1 000 kHz范圍內(nèi)在200 dB上下擺動，隨后在1 000～1 500 kHz范圍內(nèi)急速下降，1 500 kHz以上部分降至123 dB附近，近似成平臺。金屬導(dǎo)爆索在100 kHz以下聲功率譜的相對能量可達(dá)到230 dB以上，在10 kHz以下的相對能量最高達(dá)到290 dB，說明在低頻段能量最高。金屬導(dǎo)爆索水下爆炸聲的頻率范圍非常廣，1 000 kHz范圍內(nèi)都有很強(qiáng)的能量。

4結(jié)論

圖5 金屬導(dǎo)爆索水下爆炸功率譜Fig.5 Power spectrum ofmetal-clad detonating cord

通過對金屬導(dǎo)爆索水下爆炸水聲特性的研究，得出如下結(jié)論:

(1)金屬導(dǎo)爆索作為水下爆炸聲源所產(chǎn)生的聲壓信號波形近似為一個平穩(wěn)、連續(xù)的波，與單發(fā)彈藥相比可明顯提高水下爆炸脈沖寬度，水下爆炸聲壓級較高，完全可以達(dá)到200 dB以上，金屬導(dǎo)爆索的爆炸聲壓級在持續(xù)15 ms后仍在200 dB上下擺動，具有很強(qiáng)的聲功率;

(2)金屬導(dǎo)爆索水下爆炸時沖擊波持續(xù)時間非常短，但沖擊波過后產(chǎn)生的氣泡脈動和隨后的大量小氣泡持續(xù)時間非常長，能顯著提高水下爆炸的混響效應(yīng)和水下爆炸聲持續(xù)時間;

(3)金屬導(dǎo)爆索水下爆炸聲的頻率范圍非常廣，在1 000 kHz范圍內(nèi)都有很強(qiáng)的能量，特別是在10 Hz以下低頻段能量最高。

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