Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆響劑的配方優(yōu)化及聲輻射特征?

李成龍 關(guān) 華南京理工大學(xué)化工學(xué)院（江蘇南京，210094）

Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆響劑的配方優(yōu)化及聲輻射特征?

李成龍 關(guān) 華
南京理工大學(xué)化工學(xué)院（江蘇南京，210094）

為了尋求具有寬頻特征的燃燒型煙火水聲藥劑材料，基于爆炸聲具有水聲頻帶較寬的特點(diǎn)，將Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆響劑引入水下。首先，研究Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆響劑中Pb3O4組分含量變化對(duì)A聲壓級(jí)的影響規(guī)律，并優(yōu)選出A聲壓級(jí)最高的藥劑，制成樣品，并在水下點(diǎn)燃，利用水聲測試系統(tǒng)研究其聲頻特征。結(jié)果表明，Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆響劑A聲壓級(jí)隨著Pb3O4含量的增加而增大，當(dāng)外加Pb3O4的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75% ～100%時(shí)，A聲壓級(jí)最高，可達(dá)到108.3 dB。將此Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆響劑與煙火藥制成樣品，在水下點(diǎn)燃，產(chǎn)生的水聲頻率覆蓋0～8 000 Hz，且出現(xiàn)鋸齒形峰，0～1 000 Hz范圍內(nèi)最大聲壓級(jí)為116 dB。因此，Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆響劑可作為一種潛在水聲干擾材料。

煙火藥；Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆響劑；配方優(yōu)化；水下燃燒；聲壓級(jí)

引言

煙火藥是由氧化劑、可燃劑和黏合劑等組成的機(jī)械混合物。煙火藥種類很多，可以產(chǎn)生聲、光、煙、色、氣動(dòng)等特種效應(yīng)。一般煙火藥以燃燒特性為主［1］，利用煙火藥水下燃燒可產(chǎn)生低頻聲輻射特征，美國專利［2］報(bào)道了一種在港口等有限區(qū)域內(nèi)用于掃除水雷的一種簡便、低廉的低頻、高強(qiáng)度水下噪聲源，該聲源裝置利用的是煙火藥水下燃燒與水作用形成的聲能。國內(nèi)，歐陽的華等［3-4］的相關(guān)研究結(jié)果表明，具有脈動(dòng)燃燒效應(yīng)的煙火藥水下燃燒頻率主要集中在0～2 000 Hz頻率范圍，最高聲壓級(jí)為51 dB；添加高熱劑后，煙火藥的水下能量主要集中在0～5 000 Hz范圍。Li等［5］將煙火藥與哈特曼結(jié)構(gòu)組合進(jìn)行水下試驗(yàn)，結(jié)果表明，增加該結(jié)構(gòu)只能在125～1 000 Hz范圍內(nèi)增加一定聲壓級(jí)。由于煙火藥水下燃燒產(chǎn)生的聲輻射具有持續(xù)時(shí)間長、頻率低、聲源結(jié)構(gòu)簡單等其他聲源無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此，燃燒型聲源可滿足水聲對(duì)抗需要，但主頻范圍應(yīng)有所拓展。而炸藥水下聲源具有寬頻帶特性［6］，試驗(yàn)證實(shí)［7］，水下爆炸聲波從幾赫茲到幾萬赫茲都有相當(dāng)強(qiáng)的聲功率，可完全覆蓋各類水聲器材的各個(gè)工作頻段；但其聲持續(xù)時(shí)間很短，只有2 ms［8］。

結(jié)合兩種水下聲源的優(yōu)勢，基于炸藥爆炸水聲高功率、寬頻帶的特性，擬將具有微爆性能的煙火藥引入水下，試圖拓展煙火藥燃燒產(chǎn)生水聲頻率。因此，本文首先對(duì)Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆響劑配方進(jìn)行了優(yōu)化，研究了Pb3O4含量對(duì)Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆響劑聲特征的影響規(guī)律，再對(duì)A聲壓級(jí)較高的藥劑進(jìn)行水下燃燒試驗(yàn)，探討其水下聲頻特性。該研究對(duì)探索新型低頻化、寬頻帶、高功率水聲對(duì)抗器材具有一定的參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)部分

1.1藥劑

Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆響劑被點(diǎn)燃后，發(fā)生鋁熱反應(yīng)，產(chǎn)物MgO和Al2O3形成密封外殼，而產(chǎn)物中形成的Cu-Pb合金受大量熱作用，迅速汽化沖破外殼，形成振動(dòng)，產(chǎn)生爆炸效果。

經(jīng)過氧平衡計(jì)算，微爆藥劑基礎(chǔ)配方為m （CuO）∶m（Mg4Al3）=7∶3，稱量質(zhì)量為10 g的上述原料，將Pb3O4按比例加入，充分混合后形成均勻的微爆藥劑。過篩，取10目篩下物、20目篩上物在干燥箱中烘干，用于大氣試驗(yàn)。將大氣中A聲壓級(jí)值較高的配方取藥劑20粒，用于水下試驗(yàn)。

1.2大氣中聲響特征測試

儀器:聲級(jí)計(jì)主要由單通道聲學(xué)振動(dòng)分析儀、前置放大器、聲校準(zhǔn)器、傳聲器、圖譜分析軟件數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成。其中，聲學(xué)振動(dòng)分析儀采用B&K2250L；圖譜分析軟件采用BZ-5503 Utility Software。

方法:測試試驗(yàn)在大氣中進(jìn)行，試驗(yàn)環(huán)境開闊，聲級(jí)計(jì)與樣品水平距離為1 m，兩者高度為1.5 m。安置好試驗(yàn)儀器后，經(jīng)測定，環(huán)境噪聲在55 dB以下，聲級(jí)測定儀參數(shù)設(shè)置為A計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)和1/3倍頻程，開始測量后點(diǎn)燃樣品。

試驗(yàn)中的聲級(jí)測定，假設(shè)樣品1#的A聲壓級(jí)為LA1，LA1ij表示配方1#的第i個(gè)樣品在1/3倍頻程下第j個(gè)頻帶上的聲壓級(jí)（其中i=1，2，3，4；j=1，2，3……，32）。根據(jù)噪聲聲級(jí)疊加公式（1），獲得了配方1#的各個(gè)樣品A聲壓級(jí):

1.3水下聲輻射特征測試

儀器:水聲測試儀器由水聽器（B&K-8104）、電荷放大器（B&K-2610，1 mV/Pa）、信號(hào)采

將配方1#的4個(gè)樣品A聲壓級(jí)值的算術(shù)平均值作為配方1#的A聲壓級(jí)值:集分析系統(tǒng)等組成，測試范圍20～100 000 Hz。其中，消聲水池規(guī)格為15 m×15 m×8 m，其內(nèi)注滿自來水，裝置與水聽器之間的距離為1 m，裝置及水聽器均放置在水下1 m處。測試裝置見文獻(xiàn)［3］。

方法:選出的藥劑與2 g黑火藥混合均勻，放置在直徑18 mm、高30 mm的金屬管殼中，再將裝藥管殼放置在直徑100 mm、高500 mm的非密閉金屬管殼中，僅在距端口50 mm處有4個(gè)直徑為20 mm的對(duì)稱的出氣孔。測試方法參照國家標(biāo)準(zhǔn)［9-10］，采用恒定帶寬，水聽器采集到的信號(hào)經(jīng)電荷放大器，再由信號(hào)采集分析系統(tǒng)記錄下來，以1 μPa為參考聲壓，在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行分析和處理。

2 結(jié)果與討論

2.1Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆響劑大氣中的聲輻射特征

Pb3O4含量對(duì)Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆響劑影響較大，按照Pb3O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)由低到高順序依次添加到反應(yīng)體系中，共設(shè)計(jì)21個(gè)配方樣品，并按順序燃放，每個(gè)配方有4個(gè)樣品，總質(zhì)量1 g。試驗(yàn)測定樣品的A聲壓級(jí)，Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆響劑中Pb3O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對(duì)A聲壓級(jí)影響如表1所示。

由表 1可知，Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆響劑中Pb3O4含量與其A聲壓級(jí)關(guān)系存在以下特點(diǎn):配方1#～9#，即Pb3O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0～40%之間，A聲壓級(jí)集中在80.9～85.5 dB，呈現(xiàn)緩慢的遞增趨勢；配9#～16#，即Pb3O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)在40% ～75%之間，A聲壓級(jí)集中在85.5～108.3 dB，聲壓級(jí)遞增較快；配方16#～21#，即Pb3O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)在75% ～100%之間，A聲壓級(jí)在105.3～108.3 dB，變化幅度不大。因此，隨著爆響劑中Pb3O4含量增加，A聲壓級(jí)逐漸增加，當(dāng)Pb3O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%，A聲壓級(jí)達(dá)到最大值108.3 dB，再增加Pb3O4含量，A聲壓級(jí)變化不顯著。

爆響劑主要組分為Mg4Al3、Pb3O4和CuO，當(dāng)藥劑點(diǎn)火后，三者發(fā)生鋁熱反應(yīng)如下:

在這兩個(gè)反應(yīng)體系中，各物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)生成熱為: Pb3O4，715 kJ/mol；MgO，611 kJ/mol；Al2O3，1 675.7 kJ/mol；CuO，175 kJ/mol；金屬單質(zhì)都為0。經(jīng)過計(jì)算，反應(yīng)（3）中每克Pb3O4反應(yīng)釋放的熱量為2.76 kJ；反應(yīng)（4）中，每克CuO反應(yīng)釋放的熱量為5.36 kJ。假設(shè)藥劑混合均勻，則配方中每克 Mg4Al3/ CuO/Pb3O4爆響劑反應(yīng)釋放的熱量見表2。

表2　每克爆響劑釋放熱量Tab.2 Heat released by 1 g explosive agent in the reaction

由表2可知，隨著Pb3O4含量的增加，每克藥劑的產(chǎn)熱量有所下降，配方之間最多相差0.50 kJ。但結(jié)合表1可知，Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆響劑的A聲壓級(jí)與藥劑的放熱量及氧平衡有著密切的關(guān)系。

當(dāng)Pb3O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)不高于 40%，氧平衡為-0.86～-0.50 g/g，放熱量為3.47～3.75 kJ，而此時(shí)的Pb3O4量還不能產(chǎn)生足夠的Cu-Pb蒸汽，而使多余的Mg4Al3汽化熱量不夠，導(dǎo)致A聲壓級(jí)較低。隨著Pb3O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加至40%～75%，出現(xiàn)第二個(gè)階段，形成的Cu-Pb蒸汽逐漸增多，引起空氣振動(dòng)的反應(yīng)也就越多。當(dāng)Pb3O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到80%以上時(shí)，配方的氧平衡也開始接近0。反應(yīng)中，產(chǎn)物Cu、Pb與未參加反應(yīng)的 Mg4Al3形成 Cu-Pb-Mg-Al合金，配方17#的放熱量為3.31 kJ，恰好使該合金汽化，進(jìn)而達(dá)到較高的A聲壓級(jí)。

配方主成分為CuO和Mg4Al3的時(shí)候，放熱量會(huì)很大，多余的Cu-Mg-Al合金吸收釋放的熱量。但是，含有Pb3O4藥劑的配方，反應(yīng)產(chǎn)物中沸點(diǎn)更低的Cu-Pb-Mg-Al合金會(huì)吸收其釋放的熱量，而同樣的熱量會(huì)使更多質(zhì)量的Cu-Pb-Mg-Al合金汽化。所以，當(dāng)配方中放熱量與形成的合金汽化吸熱量相匹配時(shí)候，即反應(yīng)熱恰好能使反應(yīng)產(chǎn)物的金屬合金汽化，進(jìn)而蒸汽沖破MgO和Al2O3形成的堅(jiān)硬外殼，使空氣壓縮，產(chǎn)生較高的A聲壓級(jí)。

為了解聲響藥劑在大氣中的聲譜特征，將樣品聲譜特征進(jìn)行歸納總結(jié)，發(fā)現(xiàn)其特點(diǎn)為:400～5 000 Hz的A聲壓級(jí)較高。其中，與樣品16#A聲壓級(jí)對(duì)應(yīng)的聲響頻譜曲線如圖1所示。

由結(jié)果可知，Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆響劑中Pb3O4含量的增加，對(duì)頻率范圍10～400 Hz處影響較小，對(duì)于頻率大于1 000 Hz處的聲壓級(jí)提高有明顯作用；當(dāng)Pb3O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)從25%加到75%，1 000 Hz處聲壓級(jí)從70 dB上升到80 dB。主要原因是Cu-Pb-Mg-Al合金的含量增加，其汽化吸收熱量與反應(yīng)放熱量逐漸匹配，沖破MgO和Al2O3的能力更強(qiáng)，表現(xiàn)為1 000 Hz以上頻率A聲壓級(jí)增加。

2.2Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆響劑的水下聲輻射特征

按照水下聲輻射特征測試方法，將A聲壓級(jí)較高的Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆響劑顆粒（Pb3O4外加質(zhì)量分?jǐn)?shù)75%）放入水下，點(diǎn)火后測試其水聲特征，獲得的聲譜特征如圖2所示。

從圖2可看出，Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆響藥在設(shè)計(jì)的裝置中作用，在中、低頻段都有覆蓋。其中0～1 000 Hz對(duì)應(yīng)最高聲壓級(jí)為116 dB，在2 000～8 000 Hz處，最高聲壓級(jí)為129 dB。本文試驗(yàn)結(jié)果相較于文獻(xiàn)［3］中煙火藥水下試驗(yàn)（圖3）頻率范圍更寬（在2 000～8 000 Hz也有作用），且低頻處聲壓級(jí)也高出65 dB。

從圖1與圖2可知，Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆響劑在大氣中與水下聲頻的峰值處基本沒有變化，集中在2 000 Hz處附近，且能量都集中在高頻1 000～8 000 Hz范圍。這主要是因?yàn)槁暡ǖ念l率決定于振動(dòng)源的振動(dòng)頻率，與介質(zhì)無關(guān)。

分析表明，出現(xiàn)間斷鋸齒形尖峰的主要原因是:本試驗(yàn)中黑火藥點(diǎn)燃后，引爆爆響藥劑，引起金屬管殼中的空氣振動(dòng)，經(jīng)過金屬壁傳遞入水中，進(jìn)而引起水中的振動(dòng)。此過程中每個(gè)爆響藥粒都是一個(gè)獨(dú)立的聲源，而黑火藥不斷點(diǎn)燃的爆響藥，直接導(dǎo)致幾個(gè)聲源產(chǎn)生的振動(dòng)疊加，在不同頻率處具有峰值。但是，整個(gè)過程相對(duì)于水中爆炸來說是一個(gè)持續(xù)的、相對(duì)穩(wěn)定的過程，可以存在較長的作用時(shí)間，而不是水中爆炸能量瞬間釋放。

3 結(jié)論

1）不同含量的Pb3O4對(duì)Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆響藥劑A聲壓級(jí)影響規(guī)律為:隨著基礎(chǔ)配方中Pb3O4含量的增加，其 A聲壓級(jí)值改變不明顯（Pb3O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～40%）；之后A聲級(jí)值級(jí)不斷升高，當(dāng)Pb3O4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為75%～100%時(shí)，可得到較高A聲壓級(jí)值，微爆性能更好。其中，當(dāng)Pb3O4外加質(zhì)量分?jǐn)?shù)75%，每克藥劑放熱量為3.33 kJ，A聲壓級(jí)最高，為108.3 dB，頻率集中在400～5 000 Hz。

2）Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆響劑水下試驗(yàn)結(jié)果與煙火藥水下燃燒相比，作用頻率范圍更廣（煙火藥為0～2 000 Hz，爆響劑為0～8 000 Hz），低頻段最大A聲壓級(jí)高出65 dB（煙火藥為51 dB，該爆響劑為116 dB）。可以考慮作為一種燃燒式水聲頻率拓展材料。

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Optimization of Mg4Al3/CuO/Pb3O4Explosive Agent and Its Acoustic Radiation Characteristics

LI Chenglong，GUAN Hua
School of Chemical Engineering，Nanjing University of Science&Technology（Jiangsu Nanjing，210094）

In order to obtain a combustible pyrotechnic material with a characteristic of broadband，which can be used as an underwater acoustic agent，Mg4Al3/CuO/Pb3O4explosive agent was studied basing on the wide frequency band of underwater detonation.Effect of Pb3O4content in Mg4Al3/CuO/Pb3O4explosive agent on the A-weighted sound pressure level（SPL），was researched，and agent with the hig hest A-weighted SPL was selected.The sample made from the optimal agent was lighted underwater，and the acoustic features were analyzed by an acoustic test system.Results show that A-weighted SPL of the Mg4Al3/CuO/Pb3O4explosive agent increases with the increasing of Pb3O4content.When mass fraction of Pb3O4is 75%-100%，its SPL is the highest，which can reach to 108.3 dB.When samples made from the explosive agent with the highest SPL and the pyrotechnicis lighted underwater，the acoustic frequency of detonation could cover from 0 to 8 000 Hz，jagged peaks appears，and the highest SPL is 116 dB in the range of 0 to 1 000 Hz.So pyrotechnic can be used as a potential acoustic jamming material.

pyrotechnic；Mg4Al3/CuO/Pb3O4explosive agent；optimization of formulation；underwater combustion；sound pressure level（SPL）

TQ567

10.3969/j.issn.1001-8352.2016.04.002

2015-09-23

李成龍（1990-），男，碩士，主要從事軍事煙火技術(shù)的研究。E-mail:lclzzz@126.com

關(guān)華（1965-），女，博士，教授，主要從事無源干擾與光電對(duì)抗研究。E-mail:guanhua@njust.edu.cn