建筑物爆炸噪聲被阻斷與衰減效應(yīng)研究

張冀峰，孫玉友，樊武龍，潘炎輝

（公安部物證鑒定中心，北京 100038）

爆炸現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)工作中，技術(shù)人員對(duì)爆炸毀傷效應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)是爆炸直接作用痕跡、爆炸沖擊波和爆炸地震波，并依據(jù)爆炸毀傷特征中可量化參數(shù)對(duì)爆炸現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行研判和重建分析。然而爆炸噪聲也是炸藥爆炸毀傷效應(yīng)主要特征之一，是爆炸現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)工作中容易被忽視的一個(gè)可以特征量化的指標(biāo)[1]。在一些疑難爆炸案（事）件中，爆炸導(dǎo)致建筑物坍塌且爆炸現(xiàn)場(chǎng)周?chē)狈捎行y(cè)量爆炸沖擊波毀傷范圍的特征目標(biāo)，容易導(dǎo)致爆炸直接作用痕跡和爆炸沖擊波毀傷范圍等難以勘驗(yàn)、判定和量化，致使該爆炸的炸藥量難以推斷和現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法重建。然而，在爆炸現(xiàn)場(chǎng)中，不同強(qiáng)度爆炸噪聲會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生不同程度的聽(tīng)力損傷。而距爆炸點(diǎn)不同距離人員的損傷特征和對(duì)爆炸聲響反應(yīng)特征，都可依據(jù)爆炸噪聲對(duì)人體損傷的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)依據(jù)[2]，結(jié)合爆炸噪聲的阻斷與衰減規(guī)律對(duì)爆炸噪聲聲壓級(jí)進(jìn)行推斷。進(jìn)而依據(jù)爆炸噪聲聲壓公式[3]對(duì)炸藥爆炸當(dāng)量進(jìn)行估算，為現(xiàn)場(chǎng)重建提供技術(shù)依據(jù)。

當(dāng)前，在刑事科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域?qū)Ρㄔ肼暤膫鞑ヒ?guī)律、衰減效應(yīng)等方面的研究相對(duì)較少，缺乏一些必要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)方法。因此，本文通過(guò)模擬建筑物內(nèi)部爆炸，采用爆炸試驗(yàn)的方式對(duì)爆炸噪聲在多層墻體阻斷條件下的傳播規(guī)律和衰減效應(yīng)進(jìn)行研究和探討，為爆炸案件現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)工作中對(duì)爆炸噪聲的合理判定和應(yīng)用提供技術(shù)方法和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)方案

采用淺坑道爆炸方式來(lái)模擬建筑物內(nèi)部爆炸，其內(nèi)部空間相對(duì)封閉，淺坑道對(duì)爆炸噪聲的衰減影響較??；在坑道口利用沙袋堆積封堵來(lái)模擬阻斷墻體，采用了單層和多層封堵的方法（圖1）。測(cè)試點(diǎn)選擇在坑道口東南方向約400 m處，中間為開(kāi)闊區(qū)域。

圖1 幾種封堵形式示意圖Fig.1 Several blocking forms

根據(jù)國(guó)際上對(duì)爆炸能量評(píng)定通常以TNT爆炸當(dāng)量為標(biāo)準(zhǔn)，因此爆炸實(shí)驗(yàn)藥劑選用TNT炸藥，采用集團(tuán)裝藥方式起爆，裝藥量分別為5、20、40、80、120 kg。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

本次測(cè)聲采用的儀器為丹麥B&K公司產(chǎn)2209型脈沖精密聲級(jí)計(jì)，符合IEC/179(A)(1973)標(biāo)準(zhǔn)，屬1型聲級(jí)計(jì)，配置4115型1寸微聲器，測(cè)量范圍為15～140 dB，頻率范圍2 Hz至18 kHz，該儀器既可測(cè)量穩(wěn)態(tài)噪聲，也可測(cè)量短周期的脈沖噪聲，它專(zhuān)供實(shí)驗(yàn)室以及聲音環(huán)境有嚴(yán)格規(guī)定或控制的場(chǎng)合下使用，其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

2 結(jié)果及分析

2.1 噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)分析

噪聲測(cè)試地點(diǎn)距爆點(diǎn)400 m。脈沖噪聲的性質(zhì)比較特殊，是在大氣自由場(chǎng)中，由于爆炸、轟聲或紊流等突然改壓而引起的沖擊脈沖，它有明顯的激波成分[4-5]。

從未經(jīng)封堵和阻斷的爆炸產(chǎn)生的噪聲與沖擊波超壓對(duì)比圖（圖3）中可見(jiàn)：圖中紅色曲線為沖擊波壓力波形，黑色的是高強(qiáng)度噪聲波形，二者變化的趨勢(shì)基本一樣，且噪聲有明顯的沖擊波成分。在實(shí)驗(yàn)中，主要采用沙袋封堵模擬墻體來(lái)對(duì)爆炸噪聲進(jìn)行阻斷和衰減效應(yīng)研究。圖4為80 kg TNT經(jīng)三層封堵后所測(cè)到的噪聲波形，從圖中可見(jiàn)噪聲波形屬于明顯的阻尼振動(dòng)，屬于撞擊噪聲，是炸藥對(duì)堆埋物及洞口封堵物撞擊的結(jié)果，頻率很低。圖5是其相應(yīng)的幅值譜圖，由圖可以看出它的主頻率只有十幾到幾十周，可見(jiàn)封堵措施阻斷了高頻成分，聲壓為2.5914 Pa（RMS）并可計(jì)算得到計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)的特性圖（圖6），該圖可見(jiàn)A計(jì)權(quán)時(shí)這個(gè)頻段（指線性或C聲級(jí)）的響應(yīng)是比較遲鈍的。圖7是對(duì)線性聲級(jí)進(jìn)行的A計(jì)權(quán)1/3倍頻程的數(shù)據(jù)處理后所得的直方圖，總聲壓為0.2254 Pa（RMS），對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)為81 dBA。

圖2 噪聲測(cè)試結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Working principle to test blast noise

圖3 沖擊波及高強(qiáng)度噪聲對(duì)比圖Fig.3 Blasting wave and the collated high-intensity noise

圖4 實(shí)測(cè)80kg TNT裝藥爆炸時(shí)的噪聲波形Fig.4 Explosive-noise wave from 80kg detonated TNT

圖5 80 kg TNT裝藥爆炸時(shí)噪聲波形的幅值譜圖Fig.5 Wave breadth of explosive-noise from 80kg detonated TNT

圖6 計(jì)權(quán)網(wǎng)絡(luò)特性圖Fig.6 Speciality of weighted network

圖7 80 kg TNT裝藥爆炸時(shí)噪聲波形的A計(jì)權(quán)1/3倍頻程直方圖Fig.7 The 1/3 representative of A-weighted wave from the explosive-noise of detonated 80kg TNT

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)據(jù)處理，可得噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)表1。

表1 噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)表Table 1 Data of explosive-noise

2.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)美國(guó)彈道研究實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)礦山局等單位的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（見(jiàn)參考文獻(xiàn)[ 6]），可得出大氣中爆炸的爆炸波超壓峰值計(jì)算公式：

式中：P為超壓峰值；R為距爆炸中心的距離；W為爆炸藥的TNT當(dāng)量；K=82；β=1.2。又可知：爆炸聲超壓與TNT當(dāng)量的關(guān)系：

爆炸聲的聲壓級(jí)：

式中：lx為爆炸聲壓級(jí)；px為實(shí)際超壓；p0為20μpa。綜合由式（1）、（2）、（3）可推出 ：

式中：Δlx為第x次爆炸源與標(biāo)準(zhǔn)爆炸源爆炸聲壓級(jí)差；px為爆炸實(shí)際超壓；p標(biāo)為設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)超壓。由式（4），可推出：

式中：β=1.2 。

因此，可設(shè)5 kg無(wú)封堵TNT爆炸平均爆炸聲壓級(jí)為標(biāo)準(zhǔn)聲壓級(jí)?？蓪?duì)表1中的5 kg TNT當(dāng)量炸藥爆炸（無(wú)封口）實(shí)際測(cè)試聲壓級(jí)做算術(shù)平均處理，計(jì)算后的平均聲壓級(jí)為90，標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.1。計(jì)算可得不同TNT當(dāng)量的炸藥在無(wú)封堵、同一距離、同一起爆條件下的爆炸聲壓極差，理論計(jì)算值設(shè)5 kg為標(biāo)準(zhǔn)爆炸源，結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)表2數(shù)據(jù)，可設(shè)α為阻斷系數(shù)，α=Kn，其中：n為阻斷層數(shù)，K 為常數(shù)。通過(guò)線形回歸處理，可得出K為0.04。阻斷系數(shù)α=0.04n，n為阻斷層數(shù)。因此，可得出：

式中：l為無(wú)堵斷爆炸噪聲聲壓級(jí)；ld為阻斷后的爆炸噪聲聲壓級(jí)；α為阻斷系數(shù)，α=0.04n，n為阻斷層數(shù)。

表2 爆炸聲壓級(jí)差Table 2 Grading difference of explosive-noise pressure

3 案例分析

某年10月2日下午17時(shí)，我國(guó)北方某地發(fā)生一起利用氯酸鉀自制爆炸裝置實(shí)施的爆炸案件，爆炸發(fā)生在一6層樓房建筑物402室中南側(cè)臥室內(nèi)部，該臥室3面墻體和上下樓板均有不同程度損害和穿洞，無(wú)法開(kāi)展內(nèi)部爆炸毀傷痕跡勘查。根據(jù)案件研判和爆炸現(xiàn)場(chǎng)重建的工作需要，需對(duì)發(fā)生爆炸的炸藥當(dāng)量進(jìn)行推斷。

經(jīng)過(guò)傷情鑒定和調(diào)查訪問(wèn)，在爆炸瞬間，在該402室門(mén)口外樓梯間內(nèi)人員在爆炸噪聲作用下均有聽(tīng)力損傷的現(xiàn)象，但影響不多，很快便恢復(fù)功能，根據(jù)噪聲對(duì)人體影響的傷害標(biāo)準(zhǔn)，為輕度聽(tīng)力損傷。輕度聽(tīng)力損傷聲壓級(jí)最低限為26 dB。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查從炸點(diǎn)到樓梯間都有3層墻體或門(mén)體，距離最近聽(tīng)力損傷人員距離約為9 m。首先依據(jù)公式6，選取ld=26 dB和n=3，通過(guò)計(jì)算得出無(wú)堵斷爆炸噪聲聲壓級(jí)為217 dB；再根據(jù)公式3可計(jì)算出爆炸實(shí)際超壓px為1.42 MPa；最后通過(guò)自由場(chǎng)爆炸超壓計(jì)算公式，可計(jì)算出在11 m距離產(chǎn)生1.42 MPa的炸藥爆炸當(dāng)量為4.2 kg。并依據(jù)氯酸鉀炸藥TNT當(dāng)量為0.6，可折算氯酸鉀炸藥量約為7 kg。因此，可判定該爆炸案件中發(fā)生爆炸的氯酸鉀炸藥量約為7 kg。

4 結(jié)論

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：1）建筑物內(nèi)部爆炸產(chǎn)生的爆炸噪聲在多層墻體阻斷和封堵條件下，明顯降低了爆破噪聲強(qiáng)度，尤其對(duì)削弱爆破噪聲中的沖擊波有重要的影響。2）實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和數(shù)據(jù)分析，可得出無(wú)堵斷爆炸噪聲聲壓級(jí)計(jì)算公式：l=ld/α ；l為無(wú)堵斷爆炸噪聲聲壓級(jí)；ld為阻斷后的爆炸噪聲聲壓級(jí)；阻斷系數(shù)α=0.04n；n為阻斷層數(shù)。3）爆炸現(xiàn)場(chǎng)炸藥量合理推斷是爆炸現(xiàn)場(chǎng)重建重要內(nèi)容之一，爆炸噪聲聲壓級(jí)的判定可依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)受傷人員的聽(tīng)力損傷程度進(jìn)行判定，并依據(jù)建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)和人員位置進(jìn)行合理推斷。因此，通過(guò)對(duì)建筑物內(nèi)部爆炸現(xiàn)場(chǎng)中爆炸噪聲的阻斷和衰減效應(yīng)的研究，可為疑難爆炸現(xiàn)場(chǎng)炸藥爆炸當(dāng)量推斷提供一種有效的技術(shù)手段和技術(shù)依據(jù)。但該方法屬于初步范圍推斷，受個(gè)體和環(huán)境因素影響較大，在爆炸案件應(yīng)用中應(yīng)與其它炸藥量推斷方法進(jìn)行印證和相互矯正。