防爆裝備對TNT炸藥爆炸強噪聲的防護性能

劉瀚， 趙耀， 郭志威， 馮順山， 黃廣炎，2

(1.北京理工大學 爆炸科學與技術國家重點實驗室， 北京 100081； 2.北京理工大學 重慶創(chuàng)新中心， 重慶 401120)

0 引言

根據(jù)全球恐怖主義研究數(shù)據(jù)庫(GTD)最新數(shù)據(jù)，自1970年以來，全球已出現(xiàn)約20.12萬起恐怖襲擊事件，其中爆炸恐怖襲擊約占47.7%，已造成至少68 085人死亡和147 570人受傷。爆炸產(chǎn)生的多物理場載荷中除沖擊波、殺傷破片、熱輻射等主導危害因素外，還伴隨有劇烈的爆炸強噪聲(HLEN)，對人員聽力器官造成鼓膜穿孔、感音性耳聾和耳鳴等原發(fā)性噪聲創(chuàng)傷和迷路震蕩、耳源性外周前庭眩暈等繼發(fā)性噪聲創(chuàng)傷。有數(shù)據(jù)表明，HLEN損傷10～15年后，耳聾和耳鳴可呈逐漸加重趨勢。伊拉克戰(zhàn)爭中，爆炸導致聽力損傷占所有損傷的25%，是最為廣泛的損傷類型。2014年退伍軍人中，爆炸引發(fā)的聽覺障礙是最常見的殘疾補償內容，補償費用超過22億美元，從阿富汗部署的皇家海軍陸戰(zhàn)隊分析報告發(fā)現(xiàn)，有2/3的軍人遭受了嚴重或永久性聽力損傷。另有不符合補償標準的上百萬退伍軍人同樣患有聽力障礙性疾病。

為快速處置公共安全領域中突發(fā)的恐怖爆炸物威脅，一般采用防爆罐對其爆炸所產(chǎn)生的沖擊波和破片載荷進行防護，同時對爆炸噪聲聲源及其初始傳播過程進行干涉和抑制，進而削減噪聲聲壓/聲壓級。防爆罐一般分為兩種：一種是由特種纖維等復合材料制備而成的柔性防爆罐(FEP)，一種是鋼材料制成的鋼制防爆罐(SEP)。由于HLEN不會造成人體致命性損傷，在對爆炸載荷及其防護進行研究時很少考慮到噪聲危害因素。此外，爆破施工引發(fā)的強噪聲也可對周圍人居環(huán)境造成噪聲污染?！吨腥A人民共和國噪聲污染防治法》提出了對噪聲污染進行防治、保護公眾健康和生活環(huán)境的舉措和機制。因此，明確HLEN的傳播規(guī)律對其污染防治十分必要。

長期以來，研究者們針對強噪聲危害主要圍繞武器射擊過程中沖擊噪聲機理、工程爆破噪聲控制以及人體聽器損傷機制相關方面展開。在噪聲損傷評價標準方面，國外標準以聽力的暫時性閾移(TTS)作為判斷安全與否的指標。國家軍用標準GJB 2A—1996以48 h近乎于TTS和永久性閾移(PTS)之間的聽力變化作為劃分受傷與否的界限，給出了武器脈沖噪聲對人耳31°～90°入射的安全閾值。Karl提出輕武器脈沖噪聲頻譜主要集中在 1.0～1.5 kHz范圍，峰值聲壓為1.5 kPa左右，聲壓級為158 dB；大口徑武器噪聲頻譜低于400 Hz，峰值聲壓處在16～100 Hz，峰值壓力通常大于40 kPa，聲壓級為186 dB。在噪聲研究方法方面，Kegan基于Fluent軟件，通過人耳幾何模型，建立了10 kPa三角波模擬爆炸沖擊波加載的流- 固耦合計算模型，研究了人耳的傳聲機理。紀沖等通過爆破噪聲強度特性試驗研究，發(fā)現(xiàn)爆炸噪聲危害主要由7～59 Hz的低頻部分引起。施匯斌等針對士兵自身武器噪聲損害問題，基于Abaqus的耦合歐拉- 拉格朗日(CEL)方法建立了聽力保護裝置評估有限元模型。趙欣怡等采用計算流體力學與計算氣動聲學耦合算法，結合Type46 DD1/8 in聲學傳感器對膛口噪聲場進行研究，發(fā)現(xiàn)大口徑輕武器射擊時膛口側方2 m處及射手耳部位置超壓峰值均大于6.9 kPa。此外，圍繞火箭發(fā)射噪聲實驗測試信號處理、復雜膛口沖擊波噪聲傳播演化機理數(shù)值模擬等方面開展的研究工作居多。鮮有針對典型炸藥HLEN聲壓/聲壓級特征及防爆裝備對HLEN防護性能的相關研究。

本文基于爆炸多物理場載荷下的防爆裝備評測方法，對不同藥量TNT HLEN峰值聲壓/聲壓級的變化特征及噪聲傳播機理展開研究，對比兩種典型防爆裝備對HLEN的防護性能。相關研究方法和成果對爆炸多物理場載荷作用下強噪聲附帶毀傷特性研究及防爆裝備防護性能評價指標體系的革新具有一定的工程實踐和參考價值，可為人耳聽器非致命損傷機制及其防護研究等方面提供參考。

1 HLEN感知與傳播機理

1.1 人耳對HLEN的感知機理與損傷判據(jù)

炸藥爆炸時產(chǎn)生高壓高密度爆轟氣體，迅速膨脹并壓縮周圍空氣，使其波陣面上空氣介質的狀態(tài)參數(shù)發(fā)生強間斷，從而形成沖擊波。由于沖擊波傳播速度大于未擾動介質聲速，經(jīng)過一定距離，沖擊波迅速脫離向前傳播并不斷做功，導致部分能量轉變?yōu)椴嚸婧罂諝饨橘|的熱能。非線性大振幅沖擊波便衰減為小振幅的聲波，此時其傳播速度趨于正常聲速。相對于沖擊波，聲波擾動前后介質的狀態(tài)參數(shù)變化量較小，且只發(fā)生能量傳遞，而不發(fā)生質量的傳遞。因此，聲波是沖擊波后弱擾動衰減形成的以聲速傳播的壓縮波。研究結果表明，爆炸噪聲屬于可聽聲波(20 Hz～20 kHz)和次聲波(低于20 Hz)的耦合聲波。

聲波在空氣中傳播振動后首先由耳廓收集，進入外耳道通路直至鼓膜處引發(fā)膜片振動，使中耳部位的錘骨、砧骨和鐙骨所構成的聽骨鏈產(chǎn)生耦合振動傳導。經(jīng)中耳部位聽骨鏈增益后的聲波繼續(xù)在內耳耳蝸淋巴液中傳播，實現(xiàn)了由外耳氣體聲波→中耳機械能→內耳液體行波的能量傳遞和轉換。內耳耳蝸基底膜上的Corti聽器在受到聲波傳播振動后發(fā)生毛細胞運動、產(chǎn)生電生理行為，釋放的壓電信號經(jīng)聽覺神經(jīng)傳到大腦皮層的中央聽區(qū)，最終由大腦對HLEN的類型、大小和對聽覺器官的刺激程度進行主觀感知。整個感知過程為：外耳部位空氣振動形成空腔效應，中耳部位骨傳導完成傳聲變壓，內耳部位波- 液能量轉換實現(xiàn)噪聲感應，大腦皮層形成神經(jīng)刺激和感知分析。該過程受爆炸當量、氣象條件、介質密度、傳播距離和方向、聽器內部構造以及感知靈敏度等因素影響。因此，人耳對HLEN傳遞和感知過程是一個聲- 振高度耦合的非線性響應過程。人耳聽器系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 人耳聽器系統(tǒng)[4]Fig.1 Human auditory system[4]

關于人耳損傷，國家軍用標準GJB 7329—2011給出了鼓膜破裂的沖擊波超壓判據(jù)為0.03～0.04 MPa，聽器及其他器官嚴重損傷的超壓判據(jù)為0.04～0.06 MPa。當沖擊波傳播到一定距離、低于0.03 MPa時是否還會對人耳聽器造成損傷，則需要從HLEN的角度進行研究。人耳可聽噪聲頻率范圍一般在20 Hz～20 kHz，聲壓級范圍在0～140 dBA，聲壓級過低不在人耳聽閾范圍內，過高則可能引發(fā)聽器痛覺甚至爆震性創(chuàng)傷。當頻率在20 Hz以下的次聲波范圍時，極大的穿透力以及與人體器官節(jié)律的相似性，可誘發(fā)器官神經(jīng)組織共振，導致神經(jīng)錯亂、器官變形移位甚至破裂。當頻率在20 kHz以上的超聲波范圍時，強大的空氣壓力可使人產(chǎn)生視覺模糊、惡心等生理反應。研究表明，HLEN引起聽器損傷主要發(fā)生在人體中耳部位，當聲壓級超過130 dBA時即可造成鼓膜破裂。美國國防部噪音限制設計標準給出聲壓級超過115 dBA將會達到人耳痛閾，損害人員聽力或導致TTS。人員佩戴任何聽力保護裝置下都不能暴露在超過145 dBA時的噪聲場中，當處在超過145 dBA的噪音環(huán)境時，不僅會對人耳聽器造成不可逆損傷，還可能導致定向障礙、惡心和疲勞，甚至死亡。根據(jù)上述損傷閾值，從HLEN主導損傷角度，將人耳聽器損傷劃分為4個等級，如表1所示。

表1 人耳聽器HLEN損傷判據(jù)及等級劃分Table 1 HLEN criteria and classification of human ear injuries

1.2 HLEN傳播機理

1.2.1 HLEN在空氣自由場中的傳播

在同一自由場環(huán)境中，假設HLEN是由入射聲壓為的點聲源發(fā)出，傳播最遠距離為。設距離爆心和處的聲壓為和，如圖2所示。

圖2 自由場中的HLEN微元Fig.2 The HLEN microelement in free air

通過兩點聲壓梯度積分的方法求出爆炸噪聲聲波擾動空氣時的質點速度，由(1)式表示：

(1)

式中：為HLEN聲波質點速度；為空氣介質密度。由于爆炸噪聲頻率主要呈現(xiàn)低頻狀態(tài)，在HLEN傳播的方向上，可采用距離較小的傳聲器測得的聲壓來近似聲壓梯度差，即用差分代替微分：

(2)

將(2)式代入(1)式，可得質點速度：

(3)

此時，爆炸聲波入射聲壓垂直作用于單位面積上的聲強，可表示為

=

(4)

(5)

式中：為爆距處的球形空間自由場表面積；為空氣介質的聲阻抗，當空氣溫度為0～25 ℃時，一般為4012～4386 kg/(m·s)。

人耳聽覺系統(tǒng)對噪聲響度的感知與聲壓的對數(shù)尺度呈正比，同時1 kHz時人耳可聽的最小聲壓為20 μPa，對應聲壓級為0 dBA。因此需要通過對數(shù)方式給定聲壓級，表示如下：

(6)

式中：為基準聲壓，=20 μPa；=400 kg/(m·s)。則(6)式為

(7)

122 HLEN在半密閉防爆結構中的傳播

假設防爆罐可看成一個單腔共振的圓柱形剛性體結構，即由一個可向口部泄爆的剛性空腔組成。罐體內部到口部的空氣柱類似于帶有一定阻尼的彈簧。該空氣柱具有一定的聲質量和聲容。其中聲容是空腔容積與單位空氣介質的聲阻抗的比值。當TNT炸藥在防爆罐內發(fā)生爆炸時，聲波由內向外傳播至口部處，從而產(chǎn)生摩擦聲阻，整個過程可等效為一個聲質量- 聲容彈簧- 摩擦阻尼的單腔聲學振動系統(tǒng)，其示意圖如圖3所示，其中：為防爆罐直徑，為防爆罐高度。

圖3 HLEN在半密閉結構中傳播示意圖Fig.3 Schematic diagram of HLEN propagation in a semi-closed structure

設防爆罐的空腔體積為，柱體空氣速度為，同時假設在一定瞬時范圍內，爆炸入射噪聲聲波為一個簡諧性機械波，則該單腔振動系統(tǒng)的運動微分方程如下：

(8)

式中：j為虛數(shù)單位；為強噪聲聲源簡諧振動的圓頻率。

(9)

(10)

令方程的解為=·ej，可得出爆炸噪聲聲波質點速度如下：

(11)

將(9)式、(10)式代入(11)式，可得

(12)

2 試驗方法

2.1 試驗樣品及工況

為對比研究防爆當量均為1 500 g TNT的FEP和SEP對不同藥量TNT HLEN的防護性能，明確二者相對于FAB時對HLEN抑制能力以及一定距離范圍內的聲壓聲壓級衰減規(guī)律，選取精密壓裝成型的750 g、1 500 g和2 250 g 3種藥量的TNT裝藥，對應直徑為80 mm、100 mm、120 mm，長徑比依次為1175、1200、1042，裝藥密度均為159 g/cm。不同防爆條件時的靜爆試驗工況如表2所示。

表2 HLEN試驗工況Table 2 Conditions of the HLEN tests

2.2 試驗設備及方案

試驗采用美國PCB公司378A12型自由場電容式噪聲傳感器，最大量程為194 dB，靈敏度035 mV/Pa，頻率響應范圍5～20 kHz，誤差±02 dB。其優(yōu)點是靈敏度高、頻率響應寬，受環(huán)境溫濕度及氣壓條件的影響較小，如圖4所示。采用專業(yè)的M003EB020AC低噪聲線纜，將傳感器與PCB公司482C05型信號調理模塊進行連接，再通過信號采集儀進行采集和處理，采集系統(tǒng)頻率為1 MS/s。每發(fā)試驗前還需采用PCB公司Larson Davis CAL200型聲學校準儀，選取94 dBA(=1 Pa，=20 μPa)和 114 dBA(=10 Pa，=20 μPa)兩個聲壓級對傳感器進行標定，以消除上一發(fā)爆炸振動及環(huán)境帶來的測試誤差。

圖4 自由場電容式噪聲傳感器Fig.4 Free air condenser noise sensor

按照中華人民共和國公共安全行業(yè)標準GA871—2010防爆罐性能評估測試標準，爆炸源布放高度不超過裝備內部高度的13，故裝藥底部端面距離地面高度200 mm。噪聲傳感器固定部位經(jīng)緩沖橡膠包裹后，通過工裝件與傳感器支架進行固定安裝，以防止爆炸引起傳感器晃動，繼而對采集信號造成干擾。國家標準GB/T 3768—2017規(guī)定自由場噪聲傳感器指向應使其基準方向與測量面垂直，即傳感器的極頭朝向爆心，確保其內部金屬振膜(彈性膜片)表面垂直于平面入射聲波的傳播方向。振膜在爆炸聲波的機械作用下可產(chǎn)生一定頻率的振動和較小幅度的位移，從而引發(fā)電容量的變化以及交變電壓信號的產(chǎn)生，模擬人耳聽器中的鼓膜振動引發(fā)的電生理響應行為。此外，傳感器距離水平地面高度1 500 mm，近似模擬人耳聽器距離地面的高度。兩支傳感器及其支架布放時避免與爆心點處在同一垂直面上，同時拉大兩支傳感器之間的距離，以消除前傳感器及支架造成的聲波干擾對后傳感器的信號采集產(chǎn)生的影響。除一發(fā)750 g TNT藥量FEP防爆時兩支傳感器與爆心的距離分別為10 m和20 m外，其余防爆狀態(tài)時的傳感器與爆心距離分別為20 m和40 m。3種防爆狀態(tài)時的HLEN試驗方案示意圖如圖5所示，單位為mm。

圖5 不同防爆狀態(tài)時的HLEN試驗布局Fig.5 HLEN test layout under different explosive-proof conditions

3 試驗結果

人耳聽器對低頻噪聲感知能力較弱，為使HLEN數(shù)據(jù)結果能夠反映人體真實感受，在進行聲學數(shù)據(jù)結果分析時首先要對頻率進行計權處理，通過A計權可彌補對低頻聲音感知的缺失。另外通過F時間計權快速顯示出爆炸噪聲，用以對測量信號進行時間平均。

為更好地對HLEN聲壓頻域進行研究，同時減少頻譜泄露帶來的誤差，通過采集系統(tǒng)中的漢寧窗截取函數(shù)形式對HLEN信號進行截斷并加權處理，即原始截斷后的信號與漢寧窗函數(shù)相乘后得到一個周期信號，再對周期性爆炸噪聲信號進行快速傅里葉變換(FFT)，從而滿足一定時間域內噪聲信號處理的周期性要求。

3.1 聲壓對比

HLEN聲壓反映HLEN聲波擾動空氣所產(chǎn)生的壓強，可直接反映出爆炸聲波的強弱。

311 FAB時的HLEN聲壓

圖6所示為FAB時750 g、1 500 g、2 250 g 3種不同藥量TNT HLEN聲壓曲線。其中，噪聲電信號通過起爆時同步輸入5 V電壓進行零時刻觸發(fā)，觸發(fā)時刻記為。圖7所示為起爆后約4 s內對應的聲壓瀑布(暖色雨流模式)，頻率范圍為0～390 kHz。

圖6 FAB時不同TNT藥量的HLEN聲壓曲線Fig.6 HLEN psp curves of different TNT mass with FAB

圖7 FAB時不同TNT藥量的HLEN聲壓瀑布Fig.7 HLEN psp waterfalls of different amount of TNT with FAB

由圖6可以看出：FAB時750 g TNT爆炸噪聲傳播至20 m和40 m兩個典型距離處的聲壓峰值分別為11 879035 Pa和6 420185 Pa，噪聲傳播到兩個距離處分別歷時0049 s和0106 s；1 500 g TNT時兩個距離處的聲壓峰值分別為16 300767 Pa和8 547086 Pa，此時傳播歷時分別為0047 s和0104 s；藥量為2 250 g時，聲壓峰值分別為17 438902 Pa和8 885186 Pa，對應傳播歷時分別為0046 s和0103 s。由此可見，聲壓峰值持續(xù)時間極短。同距離處，聲壓峰值隨著藥量的增加而逐漸增大。

從圖7聲壓瀑布來看，F(xiàn)AB時低頻率段的噪聲聲壓明顯高于較高頻率段的噪聲聲壓，可以判定該噪聲均屬于典型的低頻率高聲壓特征。隨著頻率增大，中間零星夾雜不同頻率的較低聲壓。

312 FEP防爆時的HLEN聲壓

圖8所示為FEP對3種藥量TNT進行防爆時的HLEN聲壓曲線。圖9所示為對應起爆后約4 s時刻的噪聲聲壓瀑布。

圖8 FEP時不同TNT藥量的HLEN聲壓曲線Fig.8 HLEN pspcurves of different amount of TNT with FEP

由圖8可以看出：FEP時750 g TNT爆炸噪聲傳播至10 m和20 m兩個典型距離處的峰值聲壓分別為791295 Pa和776492 Pa，噪聲傳播到10 m和20 m處分別歷時0052 s和0081 s；1 500 g TNT時爆炸噪聲傳播至20 m和40 m處的峰值聲壓分別為7 064679 Pa和3 388697 Pa，對應傳播歷時分別為0052 s和0109 s；2 250 g TNT時峰值聲壓分別為7 927289 Pa和4 26232 Pa，對應傳播歷時分別為0053 s和0111 s。由此可見，F(xiàn)EP防爆后的峰值聲壓持續(xù)時間仍然較短；同距離處，峰值聲壓隨TNT藥量的增加而增大。

從圖9中聲壓瀑布來看，F(xiàn)EP防爆后的低頻率段噪聲聲壓仍高于較高頻率段噪聲聲壓，屬于低頻率高聲壓特征。隨著頻率增大，中間同樣夾雜不同頻率的較低聲壓。

圖9 FEP時不同TNT藥量HLEN聲壓瀑布Fig.9 HLEN psp waterfalls of different amount of TNT with FEP

313 SEP防爆時的HLEN聲壓

SEP對750 g、1 500 g TNT防爆時的HLEN聲壓曲線如圖10所示。圖11所示為對應聲壓瀑布。

由圖10可見：SEP防爆時，750 g TNT爆炸噪聲傳播至20 m和40 m處的峰值聲壓分別為830324 Pa和792347 Pa，噪聲傳播歷時分別為0076 s和0133 s；1 500 g TNT時的峰值聲壓分別為12 291922 Pa和6 424233 Pa，對應傳播歷時分別為0051 s和0108 s。經(jīng)SEP防爆后的聲壓持續(xù)時間仍較短；同距離處，峰值聲壓仍隨TNT藥量的增加而增大。從圖11來看，SEP低頻率段噪聲聲壓仍高于較高頻率段噪聲聲壓，同樣為低頻高聲壓特征，且隨頻率增大，中間同樣夾雜不同頻率的較低聲壓。

圖10 SEP時不同TNT藥量的HLEN聲壓曲線Fig.10 HLEN psp curves of different amount of TNT with SEP

圖11 SEP時不同TNT藥量HLEN聲壓瀑布Fig.11 HLEN psp waterfalls of different amount of TNT with SEP

314 不同防爆條件下峰值聲壓結果對比

由311節(jié)～313節(jié)聲壓試驗數(shù)據(jù)結果，不同防爆條件下各TNT藥量的峰值聲壓及到達時間如表3所示。

由表3可以看出：FAB不同藥量時，噪聲從20 m傳播至40 m過程中峰值聲壓衰減46～491；FEP藥量為750 g TNT時，從10 m傳播至20 m時峰值聲壓衰減19；FEP藥量為1 500 g和2 250 g TNT時，從20 m傳播至40 m過程中峰值聲壓衰減462～52；SEP藥量為750 g TNT時，從20 m傳播至40 m時峰值聲壓衰減46，SEP藥量為1 500 g TNT時，從20 m傳播至40 m過程中峰值聲壓衰減477；不同防爆條件下的HLEN峰值聲壓從20 m傳播到40 m的時間相等，Δ=Δ=Δ=0057 s，其中，F(xiàn)EP對750 g TNT防爆時，HLEN從10 m傳播至20 m歷時為0029 s，約為其他藥量下HLEN從20 m傳播到40 m歷時的一半。

表3 HLEN峰值聲壓及到達時間情況Table 3 HLEN peak psp and its elapsed time

3.2 聲壓級對比

對于人耳聽器而言，HLEN聲壓級直接反映人耳接收到的爆炸噪聲強弱。

321 FAB時的爆炸噪聲聲壓級

圖12所示為FAB時3種藥量TNT HLEN聲壓級曲線，對應聲壓級瀑布(雨流模式)如圖13所示。

由圖12可以看出，F(xiàn)AB時750 g TNT爆炸噪聲在20 m和40 m處的峰值聲壓級分別為138785 dBA和131712 dBA；1 500 g時峰值聲壓級分別為141708 dBA和13406 dBA；2 250 g時峰值聲壓級分別為14269 dBA和134614 dBA。在同一距離處，峰值聲壓隨著藥量的增加而小幅度增大。從圖13聲壓級瀑布來看，F(xiàn)AB時呈現(xiàn)明顯的低頻高聲壓級特征。

圖12 FAB時不同TNT藥量的HLEN聲壓級曲線Fig.12 HLEN pspl curves of different amount of TNT with FAB

圖13 FAB時不同TNT藥量HLEN聲壓級瀑布Fig.13 HLEN pspl waterfalls of different amount of TNT with FAB

322 FEP時不同TNT藥量聲壓級

FEP防爆時的聲壓級曲線如圖14所示，對應聲壓級瀑布如圖15所示。

由圖14可以看出，F(xiàn)EP對750 g TNT防爆時，10 m和20 m處的峰值聲壓級分別為130.466 dBA和126.194 dBA；1 500 g TNT時，距離爆心20 m和40 m處的峰值聲壓級分別為132.795 dBA和126.751 dBA；2 250 g TNT時，距離爆心20 m和40 m處的峰值聲壓級分別為134.491 dBA和128.161 dBA，即同一距離處的峰值聲壓級隨著藥量的增加而增大。從圖15聲壓級瀑布來看，F(xiàn)EP防爆時仍呈現(xiàn)明顯的低頻高聲壓級特征。

圖14 FEP時不同TNT藥量的HLEN聲壓級曲線Fig.14 HLEN pspl curves of different amount of TNT with FEP

圖15 FEP時不同TNT藥量HLEN聲壓級瀑布Fig.15 HLEN pspl waterfalls of different amount of TNT with FEP

3.2.3 SEP時不同TNT藥量聲壓級

SEP防爆時的聲壓級曲線如圖16所示，對應聲壓級瀑布如圖17所示。

由圖16看出，SEP對750 g TNT防爆時，20 m和40 m兩處聲壓級峰值分別為129.235 dBA和127.486 dBA；1 500 g TNT時，聲壓級峰值分別為139.084 dBA和132.218 dBA。同一距離處，聲壓級峰值隨藥量的增加而增大。從圖17可見，SEP防爆時仍呈現(xiàn)明顯的低頻高聲壓級特征。

圖16 SEP時不同TNT藥量的HLEN聲壓級曲線Fig.16 HLEN pspl curves of different amount of TNT with SEP

圖17 SEP時不同TNT藥量HLEN聲壓級瀑布Fig.17 The HLEN pspl waterfalls of different TNT mass of SEP

3.2.4 不同防爆時的峰值聲壓級結果對比

由3.2.1節(jié)～3.2.3節(jié)試驗數(shù)據(jù)結果，不同防爆條件下各TNT藥量的峰值聲壓級及到達時間情況如表4所示。

由表4可以看出：FAB不同藥量時，HLEN從20 m傳播至40 m過程中峰值聲壓級衰減5.1%～5.7%；FEP不同藥量時，750 g TNT從10 m傳播至20 m時峰值聲壓級衰減3.3%；1 500 g和2 250 g TNT從20 m傳播至40 m過程中峰值聲壓級衰減4.6%～4.7%；SEP不同藥量時，750 g TNT從20 m傳播至40 m時峰值聲壓級衰減1.4%，1 500 g TNT對應衰減4.9%。此外，HLEN峰值聲壓級時間與聲壓時間規(guī)律完全一致。

表4 HLEN峰值聲壓級及到達時間情況Table 4 HLEN peak pspl and its elapsed time

4 分析和討論

4.1 峰值聲壓/聲壓級到達時間對比

提取各防爆條件下的HLEN到達固定距離處所經(jīng)歷的時間，分析相對于FAB狀態(tài)時FEP和SEP兩種典型防爆裝備對HLEN聲波傳播規(guī)律。圖18所示為3種防爆時的HLEN到達典型距離處經(jīng)歷時間與不同TNT藥量之間的變化關系曲線。

由圖18可以發(fā)現(xiàn)：FAB時的HLEN到達典型距離處的時間隨著TNT藥量的增加而逐漸提前，即藥量越大，HLEN到達固定距離的時間越快；在20～40 m距離范圍內，傳播歷時Δ為0.057 s；當FEP防爆時，HLEN到達同一距離處所經(jīng)歷的時間整體晚于FAB時的時間，即該噪聲在FEP內受到干涉抑制，當噪聲從FEP“逃逸”后，10～20 m范圍內傳播歷時為0.029 s，20～40 m范圍內傳播歷時Δ也為0.057 s，即前10 m大致是后20 m歷時的一半；當SEP防爆時，HLEN到達同距離處所經(jīng)歷的時間同樣整體晚于FAB時的時間，即SEP同樣對該噪聲構成一定的阻滯作用，但在20～40 m距離范圍內傳播歷時Δ同為0.057 s。因此，F(xiàn)EP和SEP均可對噪聲傳播起到延遲效應，受干擾后HLEN在20～40 m內的傳播歷時完全一致，可推算出該距離內噪聲傳播速度為350.88 m/s。

圖18 不同防爆條件下強噪聲峰值聲壓/聲壓級到達時間隨TNT藥量變化曲線Fig.18 Elapsed time of peak psp/pspl versus TNT mass under different explosion-proof conditions

4.2 峰值聲壓/聲壓級抑制效應對比

通過上述研究，得出不同防爆條件下不同藥量TNT爆炸時所對應的峰值聲壓和峰值聲壓級，進一步分析FEP和SEP兩種防爆條件相對于FAB時對HLEN聲壓/聲壓級的抑制效應。圖19所示為3種防爆條件下的HLEN峰值聲壓和峰值聲壓級與不同TNT藥量之間的變化關系。

由圖19可以看出，不同防爆條件對應的HLEN聲壓/聲壓級峰值均隨TNT藥量的增加呈現(xiàn)升高趨勢：

FAB時，TNT藥量從750 g、1 500 g到2 250 g，20 m處聲壓峰值處于11 879～17 438.9 Pa，聲壓級峰值高達138.8～142.7 dBA，40 m處的聲壓峰值處在6 420.2～8 885.2 Pa，聲壓級峰值降為131.7～134.6 dBA；20～40 m，聲壓峰值衰減約46%～49.1%，聲壓級峰值衰減5.1%～5.7%。

FEP時，TNT藥量為750 g、10 m處聲壓峰值僅為791.3 Pa，20 m處為776.5 Pa；當藥量為1 500 g、2 250 g時，20 m處聲壓峰值保持在7 064.7～7 927.3 Pa，聲壓級峰值處于132.8～134.5 dBA，40 m處聲壓峰值保持在3 388.7～4 262.3 Pa，聲壓級峰值處于126.8～128.2 dBA。聲壓峰值衰減約46.2%～52%，聲壓級峰值衰減4.6%～4.7%；相對于FAB時，20 m處的聲壓峰值削弱了54.5%～93.5%，聲壓級峰值削弱了5.8%～9.1%；40 m處聲壓峰值削減了52%～60.4%，聲壓級峰值削弱了4.8%～5.5%。

SEP時，TNT藥量為750 g，20 m處的峰值聲壓僅有830.3 Pa，40 m處為792.3 Pa。藥量為1 500 g時，20 m處峰值聲壓達到12 291.9 Pa，聲壓級高達139.1 dBA，40 m處的衰減為6 424.2 Pa，聲壓級為132.2 dBA。傳播中峰值聲壓衰減約47.7%，聲壓級衰減4.9%。相對于FAB時，20 m處的峰值聲壓削弱了24.6%～93%，聲壓級削弱了1.9%～6.9%；40 m處峰值聲壓削減了24.8%～87.7%，聲壓級削弱了1.4%～3.2%。

4.3 不同防爆條件下的人耳損傷等級情況對比

針對圖19(b)中不同TNT藥量時的典型距離處HLEN峰值聲壓級，依據(jù)表1中人耳聽器損傷判據(jù)及劃分等級，分析得到不同防爆條件下典型距離范圍r所對應的損傷等級情況，如表5所示。

圖19 不同防爆條件下峰值聲壓/聲壓級隨TNT藥量變化Fig.19 Peak psp/pspl versus TNT mass under different explosion-proof conditions

由表5可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)AB時，當TNT藥量從750 g增加到2 250 g，距爆心20～40 m，聲壓級峰值全部超過了人耳鼓膜破裂的損傷閾值，即出現(xiàn)Ⅲ級損傷；同時，20 m處聲壓級峰值已接近Ⅳ級損傷。由此可以推斷，20 m內出現(xiàn)Ⅳ級向Ⅲ級損傷過渡；40 m以外，由Ⅲ級向Ⅱ級、Ⅰ級和無損傷逐漸過渡。

表5 不同防爆條件下的人耳損傷等級情況Table 5 Classification of human ear injuries under different explosion-proof conditions

FEP時，750 g TNT爆炸10 m處，聲壓級峰值接近Ⅲ級損傷閾值，即10 m內可能出現(xiàn)Ⅳ級向Ⅲ級損傷過渡；20 m處，聲壓級峰值仍超過人耳痛閾，即出現(xiàn)Ⅱ級損傷；20 m以外，則由Ⅱ級向Ⅰ級過渡；藥量從1 500 g增加到2 250 g時，20 m處聲壓級峰值均超過Ⅲ級損傷閾值，40 m處均超過Ⅱ級損傷閾值，即20 m以內，聽器出現(xiàn)Ⅳ級向Ⅲ級損傷過渡；20～40 m，出現(xiàn)Ⅲ級向Ⅱ級過渡；40 m以外，則由Ⅱ級向Ⅰ級和無損傷過渡。

SEP時，750 g TNT爆炸20 m距離處，聲壓級峰值接近Ⅲ級損傷閾值，40 m已超過Ⅱ級損傷閾值?？梢酝茢?0 m內，由Ⅳ級向Ⅲ級過渡；20～40 m，表現(xiàn)為Ⅱ級損傷；40 m以外，由Ⅱ級向Ⅰ級和無損傷逐漸過渡；1 500 g TNT時，20 m和40 m處聲壓級峰值均已超過Ⅲ級損傷閾值，則20 m內由Ⅳ級向Ⅲ級過渡；20～40 m，表現(xiàn)為Ⅲ級損傷；40 m以外，由Ⅲ級向Ⅱ級、Ⅰ級和無損傷逐漸過渡。

5 結論

本文采用試驗研究的方法，對比分析了防爆當量均為1 500 g TNT的FEP和SEP兩種典型防爆裝備相對于無防爆F(xiàn)AB條件時，對750 g、1 500 g和2 250 g藥量TNT爆炸載荷中伴隨的HLEN防護性

能。得出主要結論如下：

1)HLEN具有典型的低頻率高聲壓/聲壓級特征，并呈現(xiàn)不同的衰減特性。從20～40 m，F(xiàn)AB時聲壓峰值衰減46%～49.1%，聲壓級衰減5.1%～5.7%；FEP時聲壓峰值衰減46.2%～52%，聲壓級峰值衰減4.6%～4.7%；SEP時聲壓峰值衰減47.7%，聲壓級峰值衰減4.9%。不同防爆條件時，HLEN從20 m傳播到40 m的時間相等，Δ=Δ=Δ=0.057 s。

2)同TNT藥量、同距離處時，相對于FAB，F(xiàn)EP和SEP均對聲壓和聲壓級峰值有所抑制，表現(xiàn)為FEP削弱聲壓峰值52%～93.5%，聲壓級降低4.8%～9.1%；SEP削減峰值聲壓24.6%～93%，聲壓級降低1.4%～6.9%。從整體來看，不同防爆條件時聲壓和聲壓級峰值隨藥量的增加而逐漸增高。

3)根據(jù)人體聽器損傷相關閾值，將HLEN引起的人耳損傷劃分為Ⅰ級可聽閾、Ⅱ級痛閾、Ⅲ級損傷閾和Ⅳ級重傷閾4個等級。在40 m范圍內，不同防爆條件下人耳聽器損傷等級表現(xiàn)為，F(xiàn)AB時以Ⅳ級和Ⅲ級損傷特征為主，F(xiàn)EP時以Ⅲ級、Ⅲ級向Ⅱ級過渡兩種損傷特征為主，SEP時以Ⅳ級向Ⅲ級損傷過渡、Ⅲ級兩種損傷特征為主。