模擬聲源的小尺度爆破模型研制

閆莎莎，王海亮，于 福，趙 琛，呂莎莎

（1.山東科技大學(xué)a.礦業(yè)工程國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，b.安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東青島 266590；2.中國交通建設(shè)股份有限公司，北京 100088）

0 引言

炸藥作為一種鉆爆法的核心物品，在礦業(yè)巷道掘進(jìn)［1］、公路隧道建設(shè)［2］、水利水電［3］等民用領(lǐng)域和國防建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用。炸藥爆炸具有高強(qiáng)、瞬發(fā)的工況特征，伴隨有空氣氣流的強(qiáng)擾動(dòng)，產(chǎn)生具有脈沖聲波特征的爆破噪聲［4］。現(xiàn)有炸藥爆炸工況及其產(chǎn)生噪聲的傳播規(guī)律和降噪消噪研究主要采用野外起爆炸藥的試驗(yàn)方法，采集炸藥爆炸噪聲特征參數(shù)，獲得炸藥爆炸噪聲聲學(xué)特性，測試降噪消噪方法的有效性［5-7］。現(xiàn)場試驗(yàn)雖然能獲得與現(xiàn)場工況相匹配的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是存在炸藥申領(lǐng)手續(xù)繁瑣、試驗(yàn)場地選擇困難、試驗(yàn)成本高、安全隱患大等缺點(diǎn)。任新見等［8］公開了一種爆炸沖擊波在隧道中傳播規(guī)律實(shí)驗(yàn)用組裝式模型，但爆源是炸藥，需要在室外開展實(shí)驗(yàn)，依然無法解決上述缺陷，且不利于除軍事類高校外的普通高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展。目前普通高校對爆破相關(guān)實(shí)驗(yàn)以模型觀摩或虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為主，缺乏適用于實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的教學(xué)儀器和方法，學(xué)生對爆破知識的理解只能滯留在理論層面。

本文提出了適用于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的模擬聲源小尺度爆破模型，在最大程度模擬現(xiàn)場試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，克服了現(xiàn)場試驗(yàn)成本高、安全隱患大等缺陷，解決了炸藥爆炸實(shí)驗(yàn)無法在室內(nèi)模擬實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難題，有助于滿足“爆破工程”“井巷工程”等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求，為爆破消噪的室內(nèi)研究提供了操作性強(qiáng)、安全可行的方法。

1 模擬聲源確定

1.1 炸藥爆炸噪聲聲學(xué)特征

1.1.1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

以青島市某地鐵施工段為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場，利用北京聲望聲電技術(shù)有限公司的VA-Lab 噪聲數(shù)據(jù)采集器，采集10 g 2 號巖石乳化炸藥隧道內(nèi)爆炸噪聲的聲學(xué)數(shù)據(jù)，將其作為隧道爆破聲源聲學(xué)特征的依據(jù)。測試時(shí)炸藥放置于直徑16 mm、高1.5 m的鋼筋焊接支架上，雷管聚能穴及藥包軸向正對噪聲數(shù)據(jù)采集器的傳感器，傳聲器放置于距炸藥50 m 的相同高度的支架上，與炸藥處于同一軸向水平面。實(shí)驗(yàn)測試點(diǎn)布置示意圖和測試現(xiàn)場見圖1。炸藥爆炸實(shí)驗(yàn)進(jìn)行3 次，以盡可能減小外界環(huán)境對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)干擾帶來的誤差，每次實(shí)驗(yàn)炸藥起爆位置及傳聲器位置不變［9-10］。

圖1 現(xiàn)場測試點(diǎn)布置及測試現(xiàn)場

1.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2 號巖石乳化炸藥爆炸瞬間噪聲聲波振動(dòng)的時(shí)域曲線如圖2 所示。炸藥起爆瞬間炸藥對外部空氣做功，導(dǎo)致外部周圍聲壓急劇增大，出現(xiàn)聲壓變化，隨著聲能向外擴(kuò)散，至0.1 s 時(shí)測點(diǎn)附近聲波出現(xiàn)振動(dòng)幅值變化，在0.1～0.15 s時(shí)幅值變化最大，然后又迅速降低，至0.02 s后聲波振動(dòng)幅值迅速衰減。將圖2 中聲波振動(dòng)幅值對應(yīng)的聲壓數(shù)據(jù)進(jìn)行聲壓級換算后再進(jìn)行快速傅里葉變換，得到傅里葉變換曲線（FFT），即對應(yīng)聲壓的頻域曲線，如圖3 所示。炸藥爆炸噪聲瞬時(shí)聲壓達(dá)到最大值時(shí)，對應(yīng)脈沖聲波的頻率為1 kHz，隨著噪聲向外擴(kuò)散，脈沖聲波振動(dòng)頻率集中在1～20 kHz，呈迅速衰減趨勢。

圖2 炸藥爆炸瞬間聲波振動(dòng)的時(shí)域曲線

圖3 炸藥爆炸瞬時(shí)聲壓的頻域曲線

1.2 模擬聲源噪聲聲學(xué)特征

趙躍英等［11］認(rèn)為氣球破裂作為聲源具有不可重復(fù)性，電火花聲信號可重復(fù)，白噪聲具有穩(wěn)態(tài)性，但電火花和白噪聲均無法實(shí)現(xiàn)炸藥爆破工況模擬。本文將激發(fā)時(shí)具有瞬發(fā)特征的發(fā)令槍、導(dǎo)爆管、鞭炮作為待定模擬聲源，采集噪聲聲學(xué)數(shù)據(jù)?？紤]到發(fā)令槍、導(dǎo)爆管和鞭炮的起爆能量小于2 號巖石乳化炸藥，起爆點(diǎn)支架與傳聲器支架間距設(shè)置為50 cm，測試環(huán)境及其他儀器布置方式均與炸藥爆炸測試實(shí)驗(yàn)相同。

對發(fā)令槍、導(dǎo)爆管、鞭炮3 種模擬聲源各起爆3次，分別計(jì)算聲壓級，對模擬聲源起爆時(shí)噪聲聲壓級做快速傅里葉變換得到FFT。最大聲壓級lp和FFT 峰值如表1 所示。各模擬聲源中導(dǎo)爆管起爆噪聲的最大聲壓級和FFT峰值標(biāo)準(zhǔn)差較小，表示數(shù)據(jù)的離散程度較低，穩(wěn)定性高，可知3 種模擬聲源中導(dǎo)爆管的穩(wěn)定性最高。各模擬聲源激發(fā)瞬間對應(yīng)的瞬時(shí)聲壓頻域曲線如圖4 所示。鞭炮起爆后噪聲聲壓達(dá)到最大時(shí)對應(yīng)的脈沖聲波頻率小于1 kHz，與炸藥爆炸產(chǎn)生脈沖聲波的頻率變化特征明顯不同。導(dǎo)爆管與發(fā)令槍起爆后達(dá)到最大噪聲聲壓時(shí)對應(yīng)脈沖聲波頻率1 kHz，頻率衰減范圍集中在1～20 kHz，兩者脈沖聲波頻率變化特征與炸藥爆炸噪聲的聲波頻率變化特征相似。

表1 各模擬聲源最大聲壓級及FFT峰值_______

圖4 三種模擬聲源瞬時(shí)聲壓頻域曲線

1.3 模擬聲源起爆工況貼合度分析

炸藥爆炸產(chǎn)生的噪聲是炸藥包的外部問題，是爆炸后發(fā)生在藥包周圍介質(zhì)中的能量傳播過程。爆炸瞬間，一定體積內(nèi)突然產(chǎn)生大量高壓、熾熱氣體，以超聲速迅速膨脹，形成沖擊波，沖擊波隨距離能量衰減形成噪聲［12-13］。

（1）發(fā)令槍。發(fā)令槍扳機(jī)撞擊子彈后部，激發(fā)子彈中火藥爆炸，瞬態(tài)噪聲的產(chǎn)生和炸藥爆炸相同。然而發(fā)令槍占用空間較大，不宜實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，無法模擬隧道延時(shí)爆破的工況特征。

（2）鞭炮。鞭炮的品種繁多，爆炸噪聲的聲學(xué)特征受裝藥配方、裝藥量、包覆紙殼材質(zhì)及厚度、生產(chǎn)工藝等多種因素影響。即使是同一廠家的產(chǎn)品，其爆炸的聲學(xué)指標(biāo)也存在較大的差異性。

（3）導(dǎo)爆管。作為常見的民用爆炸物品，導(dǎo)爆管不具有爆炸危險(xiǎn)性，在火焰和機(jī)械碰撞的作用下不能起爆，且其生產(chǎn)、驗(yàn)收受國家標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格控制，操作簡單、使用安全，長期儲存仍能保持穩(wěn)定的傳爆性能。導(dǎo)爆管的爆炸過程是炸藥爆轟的穩(wěn)定傳爆過程，具備炸藥爆炸爆轟波傳播的基本特征。在導(dǎo)爆管的末端由弱爆轟波衰減為弱沖擊波，再由弱沖擊波衰減為聲波。

導(dǎo)爆管起爆噪聲的聲學(xué)特征和起爆工況與炸藥爆炸噪聲的形成過程完全一致，尤為重要的是導(dǎo)爆管的爆炸過程安全、穩(wěn)定、可控，起爆形成的爆轟波和沖擊波對人員、傳聲器等精密儀器、實(shí)驗(yàn)?zāi)＞吆蛯?shí)驗(yàn)設(shè)備無傷害，因此確定導(dǎo)爆管作為實(shí)驗(yàn)用模擬聲源。

2 以導(dǎo)爆管為模擬聲源的爆破分析

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

導(dǎo)爆管起爆后存在一個(gè)達(dá)到穩(wěn)定爆轟的過程，當(dāng)導(dǎo)爆管起爆時(shí)已達(dá)到穩(wěn)定爆轟過程時(shí)，起爆噪聲必然是穩(wěn)定性的，因此實(shí)驗(yàn)時(shí)導(dǎo)爆管長度不應(yīng)小于達(dá)到穩(wěn)定爆轟時(shí)的長度。一般認(rèn)為導(dǎo)爆管的穩(wěn)定爆轟長度約30 cm［14］，崔新男等［15］基于數(shù)字圖像法對導(dǎo)爆管爆速進(jìn)行了測試，呂莎莎等［16］采用高速攝像發(fā)研究導(dǎo)爆管傳爆過程。崔新男采用折返式布置導(dǎo)爆管，導(dǎo)爆管拐彎出爆轟波波速不穩(wěn)定，導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)不連續(xù)。呂莎莎認(rèn)為爆速達(dá)到穩(wěn)定長度時(shí)導(dǎo)爆管的最短距離是40 cm左右，但受拍攝圖像和分辨率的影響，爆轟長度的測量包括了導(dǎo)爆管爆轟波前沿波斷面，存在一定誤差。因此設(shè)計(jì)高幀數(shù)高速攝像實(shí)驗(yàn)，對導(dǎo)爆管穩(wěn)定爆轟的精確長度進(jìn)行探究，以保證起爆噪聲的穩(wěn)定性。

將高速攝像機(jī)幀數(shù)設(shè)置為280 kf／s，每兩幅圖間隔時(shí)間3.57 μs，分辨率512 ×384，取110 cm導(dǎo)爆管直線布置，按文獻(xiàn)［16］中的方法進(jìn)行固定和位移標(biāo)定。對導(dǎo)爆管起爆3 次，利用PCC軟件的快速測量功能得到爆轟波的位移及速度。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

高幀數(shù)高速攝像實(shí)驗(yàn)得到導(dǎo)爆管爆轟波波陣面?zhèn)鬟f過程如圖5 所示。由圖5 知，傳爆初期爆轟波亮度較弱，然后明亮直至耀眼。這是因?yàn)閷?dǎo)爆管內(nèi)藥粉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)藥粉的分布較分散，傳爆時(shí)管腔內(nèi)壓力不太高，所以導(dǎo)爆管內(nèi)藥粉顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)并不是一個(gè)整體，粒子反應(yīng)活化狀態(tài)是從某個(gè)局部的表面開始的。隨著反應(yīng)的進(jìn)行和加劇，中間產(chǎn)物不斷迅速擴(kuò)散，進(jìn)而蔓延到全部表面和藥粉粒子內(nèi)層。爆炸產(chǎn)生的能量支撐著爆轟波前沿的波陣面急劇前進(jìn)，急劇前進(jìn)的爆轟波促使導(dǎo)爆管內(nèi)壁上尚未發(fā)生反應(yīng)的炸藥顆?；钚栽龃箝_始反應(yīng)。導(dǎo)爆管的穩(wěn)定傳爆就是上述過程的不斷循環(huán)的過程［17］。

圖5 110 cm導(dǎo)爆管傳爆過程

將3 次實(shí)驗(yàn)的爆轟波位移和速度數(shù)據(jù)取平均值，導(dǎo)入Origin 軟件作圖，獲得爆轟移動(dòng)距離與爆速關(guān)系散點(diǎn)圖（見圖6）。從圖6 可知，導(dǎo)爆管起爆后爆速急劇增大，而后達(dá)到穩(wěn)定值，即DE段，此時(shí)穩(wěn)定爆速在1.9 km／s 左右。從成長到穩(wěn)定階段過程位移為36.29 cm。

圖6 110 cm導(dǎo)爆管爆轟波移動(dòng)距離-速度關(guān)系及擬合曲線

圖6 中因OA段驟降，而回升成長期有較為明顯的曲線形態(tài)，故匿去此區(qū)間數(shù)據(jù)點(diǎn)，對回升成長期進(jìn)行擬合，獲得表征爆轟成長期爆速與爆轟波移動(dòng)距離關(guān)系的擬合曲線。說明當(dāng)越過導(dǎo)爆管爆轟成長期后，導(dǎo)爆管爆速越趨于穩(wěn)定值，爆速與爆轟波移動(dòng)距離相關(guān)性很低，從理論上進(jìn)一步說明了高幀數(shù)攝像實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。因此導(dǎo)爆管做模擬聲源時(shí)的長度l≥36.29 cm，考慮實(shí)驗(yàn)成本和導(dǎo)爆管起爆后爆轟波穩(wěn)定性要求，確定導(dǎo)爆管作為模擬聲源時(shí)長度為36.29 cm≤l≤100 cm。

3 模擬聲源的小尺度爆破模型

模擬聲源的小尺度爆破模型用于模擬隧道或巷道爆破工況。爆破噪聲在隧道或巷道中傳遞時(shí)，其聲學(xué)特征也受模型大小、斷面形狀和內(nèi)壁相對粗糙度的影響［18］。因此，應(yīng)用幾何相似和材料相似原理，以青島市某地鐵施工段實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場為原型，確定模型隧道的幾何相似比Cl＝50，模型的寬高比為5∶4，內(nèi)壁絕對粗糙度20，斷面形狀為矩形。

模擬聲源的小尺度爆破模型示意圖如圖7 所示，由5 個(gè)模型單元組成。模型單元由金屬套筒、內(nèi)襯體、檢測孔、連接部、把手部和封堵?lián)醢褰M成。內(nèi)襯體沿模型軸線方向由4 塊矩形水泥砂漿砌塊拼接而成，采用結(jié)構(gòu)膠填充拼接縫，如圖7（c）所示。

圖7 模型隧道測試裝置示意圖

為能夠模擬測試材料或裝置的降噪消噪效果，5個(gè)模型單元中間均可加裝一個(gè)插接單元，以加裝隔音裝置或材料，如圖8（a）所示。插接單元由插接金屬套筒、插接內(nèi)襯體、插接孔、測試單元、連接部和把手部組成。內(nèi)襯體由水泥砂漿砌塊拼接而成，如圖8（b）所示。測試單元位于插接單元內(nèi)部，如圖8（c）所示。

圖8 加裝插接單元爆炸噪聲測試裝置示意圖

封堵?lián)醢逶诙祟^模型單元端部，由金屬套盒、砂漿砌塊、穿孔和銅管組成。封堵?lián)醢宸謨煞N類型，一種是與模型隧道中軸線等高處設(shè)置一個(gè)穿孔，用于模擬單點(diǎn)起爆工況，如圖7（a）及（b）中標(biāo)號1 所示；另一種是在封堵?lián)醢迳显O(shè)置多個(gè)穿孔，用于模擬多點(diǎn)起爆、不同裝藥量起爆和小間距起爆等爆破工況，如圖9 所示。其中端頭的模型單元端部擋板設(shè)置1～24 號穿孔，其中1～6 號穿孔模擬掏槽孔，7～10 號穿孔模擬輔助孔，11～24 號穿孔模擬周邊孔。當(dāng)發(fā)爆器采用微差發(fā)爆器時(shí)可模擬毫秒延時(shí)起爆工況。

圖9 模型隧道測試裝置多點(diǎn)起爆端部擋板示意圖

4 應(yīng)用效果

為確保導(dǎo)爆管作為模擬聲源的小尺度爆破模型的應(yīng)用效果，以單點(diǎn)起爆實(shí)驗(yàn)為例論述噪聲聲學(xué)特征測試。將50 cm長的導(dǎo)爆管一端頭與發(fā)爆器連接，另一端頭經(jīng)銅管進(jìn)入端部擋板內(nèi)側(cè)并與銅管的內(nèi)側(cè)端頭齊平。將模型單元的編號根據(jù)與封堵?lián)醢宓木嚯x，由近及遠(yuǎn)依次為1＃～5＃，分別將5 只直徑10 mm的傳聲器穿過檢測孔進(jìn)入模型單元內(nèi)部。檢測孔與傳聲器之間設(shè)置密封圈。數(shù)據(jù)采集儀通過數(shù)據(jù)線連接傳聲器。傳聲器的信號接收端與擋板內(nèi)側(cè)導(dǎo)爆管末端高度齊平。起爆導(dǎo)爆管，由數(shù)據(jù)采集儀采集模型單元中傳聲器的噪聲數(shù)據(jù)。由于2＃和3＃傳聲器的測得的噪聲數(shù)據(jù)變化不明顯，因此只將1＃、2＃、4＃和5＃的噪聲數(shù)據(jù)作頻域特征曲線，如圖10 所示。從圖中可以看出，應(yīng)用該實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)爆管激發(fā)后產(chǎn)生的噪聲在隧道模型中傳播時(shí)整體呈現(xiàn)逐漸衰減趨勢，且聲波頻譜特征與炸藥爆炸噪聲聲波的頻譜特征始終一致，說明該實(shí)驗(yàn)裝置和方法能夠用于模擬隧道工程爆破、脈沖聲波在隧道中的傳播規(guī)律以及降噪方法的研究。

圖10 單點(diǎn)起爆工況實(shí)驗(yàn)的噪聲頻域特征譜線

5 結(jié)語

本文從爆破工況貼合度和噪聲聲學(xué)特征的角度分析論證并探討了將導(dǎo)爆管作為模擬聲源的小尺度爆破模型研制，以單點(diǎn)起爆實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行了應(yīng)用效果檢驗(yàn)。模擬聲源與炸藥爆炸噪聲聲學(xué)特征貼合度高、實(shí)驗(yàn)安全，適用于室內(nèi)開展模擬炸藥爆炸實(shí)驗(yàn)。確定導(dǎo)爆管作為模擬聲源時(shí)的長度36.29～100 cm，達(dá)到了穩(wěn)定爆轟，實(shí)現(xiàn)了爆破噪聲測試中噪聲聲學(xué)特征數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。模擬聲源的小尺度爆破模型可用以單點(diǎn)起爆設(shè)計(jì)、多點(diǎn)起爆設(shè)計(jì)、延時(shí)起爆炮眼布置等實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，從原理上幫助學(xué)生對知識的理解，通過導(dǎo)爆管與發(fā)爆器連接、導(dǎo)爆管連線、導(dǎo)爆管數(shù)量設(shè)計(jì)、降噪消噪材料設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)過程，達(dá)到鍛煉學(xué)生的操作能力、思考能力和設(shè)計(jì)創(chuàng)新能力的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)。