金属导爆索的爆炸水声特性*

贾 虎，沈兆武

(1.中国科学技术大学近代力学系，安徽 合肥230027;2.南阳师范学院土木建筑工程学院，河南南阳473061)

第二次世界大战以来，人们对水下爆炸进行了系统研究，R.H.Cole［1］在有关研究成果的基础上，系统阐述了水下爆炸的主要现象和基本规律，建立了比较完整的水下爆炸理论，但这些研究的重点主要是水下爆炸对目标的破坏效应。而上世纪80年代以来，随着声纳探测技术和鱼雷制导技术等的不断发展，水声对抗受到高度重视，开始对鱼雷对抗技术进行广泛研究。作为软杀伤式有效手段的水声干扰器材，由于电声效率低，存在空化现象和近场效应，无法增加发射声功率、实现很高的辐射声功率。为了解决这一问题，必须大力发展深水炸弹或引爆式声诱饵等硬杀伤性对抗技术，而这类技术还不成熟［2］。

为了探索更有效的水声干扰源，进行了含能材料水下爆炸实验和声波特性参数测试的研究。D.E.Weston［3］研究了水下爆炸作为水下声源在不同含能材料与装药量情况下的声学特性，并给出了实验结果。潘正伟等［4］也对炸药水中爆炸水声特性进行了初步研究，证明炸药水下爆炸是高功率、宽频带的水声干扰源。吴成等［5］测试了3种炸药(TNT，RS211和RS3-4)的水下爆炸特性，比较了不同炸药水下爆炸的声波特性。由于现代舰艇的水中通讯、鱼雷自导广泛采用声信号，因此可采用炸药水下爆炸方法作为一种新的噪声干扰源，对水中声探测设备实现强噪声压制性干扰，对水下武器的制导系统产生威胁。但是炸药水下爆炸持续时间短，不具有实际作战意义，因此有必要研究水下连续爆炸声信号。

沈兆武等利用具有自主知识产权的新型金属导爆索生产工艺，生产出的金属导爆索侧向约束力强、药芯密度较高、装药均匀、线装药密度低、爆速稳定，具有广泛的发展前景［6］。在前期预研中，发现它能在水下产生连续爆炸声信号，有望在水声对抗中发挥作用。

本文中，为了探求高功率、宽频带、连续性的水声干扰源，以水下爆炸理论为基础对金属导爆索水下爆炸水声特性进行研究，以期得到有效连续水声干扰源，为水下对抗提供新的对抗手段。通过水下爆炸压力测试和气泡脉动实验，获得金属导爆索水下爆炸冲击波传播和衰减特性及气泡脉动特性，研究金属导爆索水下爆炸的声压级、声持续时间、混响效应和功率谱特性。

1 金属导爆索水下爆炸实验

实验在∅5 m×5 m的水下爆炸塔中进行。采用外径1.8 mm、长2.0 m、线装药量1.5 g/m的金属导爆索作为爆炸声源。金属导爆索中点固定在水池的中轴线水下2.9 m的位置，传感器固定在直径1 mm的尼龙线上，尼龙线的下端挂配重物垂直放入水下，传感器入水深度2.9 m，距离金属导爆索1.0 m。信号采样频率为5 MHz。

从图1可以看出，冲击波压力在3μs时间内从零上升到峰值压力pm=5.21 MPa，可见压力幅值呈跳跃状上升，随后成指数近似衰减。定义从pm衰减到pm/e所需时间为特征时间［7］，θ=42μs，在θ之后，冲击波的衰减缓慢多了。

金属导爆索气泡脉动周期可以通过水下爆炸实验获得的压力曲线获得，图2是实验中测得的第1次气泡脉动压力曲线。由图2可以精确确定气泡脉动周期为约15 ms，虽然气泡脉动压力峰值为0.47 MPa，不到冲击波压力峰值的10%，但比冲击波峰值压力持续时间长很多。

图1 金属导爆索水下爆炸冲击波压力Fig.1 Shockwave pressure-time curve of metal-clad detonating cord

图2 金属导爆索气泡脉动压力Fig.2 Specific energy of shockwave-time curve of metal-clad detonating cord

2 水下爆炸声持续时间

2.1 水下爆炸声压级

一定时间间隔内的最大瞬时声压称为峰值声压，也叫声压振幅，用pm表示。在一定时间间隔内，瞬时声压的均方根值称为有效声压

式中:T为所取的时间间隔;p为瞬时声压。

水下爆炸时有效声压与声压振幅之间的关系为［8-10］

声源级(单位为 dB)的定义［8-10］为

式中:pref为基准瞬时声压。

如果选取1μPa为参考级，则水下爆炸声压级(pm的单位为μPa)

由于水介质不是理想介质，爆炸声波能量在水中传播时会发生转换而被水吸收，因此在计算水下爆炸声压级时，必须考虑扩散损耗lt(单位为dB)。

根据水下声源传播损失定义可得［8-10］(r的单位为m)

式中:r为目标点距离水下爆炸声源的距离;I1为距离水下爆炸声源1 m处的声强;在水声工程中，Ir为距离水下爆炸声源r处的声强。

以距离爆炸点1 m处的声压作为声源级，则目标点的声压级lsp(单位为dB)为

图3 金属导爆索水下爆炸声压级Fig.3 Sound pressure level ofmetal-clad detonating cord

图3为金属导爆索水下爆炸声压级时域图。从图中可以看出，金属导爆索水下爆炸声压级完全可以达到200 dB以上，在持续15 ms以后时金属导爆索的爆炸声压级仍在200 dB上下摆动，说明金属导爆索水下爆炸具有很强的声功率。

2.2 水下爆炸声持续时间

气泡脉动是水中爆炸的现象之一［11-12］。有限长金属导爆索水下爆炸时，爆轰持续时间非常短，爆炸冲击波压力呈指数快速衰减。由图1可以看出，冲击波压力的脉冲宽度仅为170μs左右，但金属导爆索水下爆炸，会产生气泡脉动，随后产生大量气泡，增加爆炸声的持续时间。

采用高速摄影(拍摄幅频为2 000 s－1)记录的金属导爆索水下爆炸的气泡运动规律，如图4。

由图4看出，金属导爆索水下爆炸时第1次气泡脉动过程基本上是柱型轴对称的，在150 ms左右时气泡脉动仍然非常明显，说明金属导爆索水下爆炸脉冲压力波的宽度和持续时间比较长。在经历3次脉动后，气泡逐渐溃灭，变成大量的小气泡，在水下爆炸1 s之后水中仍有大量的小气泡。虽然产生的气泡脉动压力峰值和随后产生的大量小气泡的压力与冲击波压力相比微乎其微，但是这些现象却能显著增加水下混响效应。当声纳发射信号与气泡脉动以及气泡脉动过后产生的大量小气泡相遇时，会在接收点迭加而形成无规则的声散射，提高水下的混响效应。

2.3 水下爆炸声混响效应

从图4中可以看出，金属导爆索作为水下爆炸声源所产生的声压信号波形近似为一个平稳、连续的波，水下爆炸声压级在200 dB左右摆动，持续时间可达15 ms以上。从图4中可以看出，气泡脉动和随后产生的大量小气泡持续时间较长，在1 s左右时水中仍有大量气泡，这些气泡可以对声波产生强烈的反射和散射作用，能显著增加水下混响效应，形成一定宽度的遮声屏障。可见金属导爆索水下爆炸会产生强烈的混响效应，水下爆炸声持续时间较长。

图4 金属导爆索水下爆炸气泡脉过程典型图像Fig.4 Pictures of bubble pusles ofmetal-clad detonating cord

3 水下爆炸声功率谱

在水下爆炸压力信号分析中，功率谱密度并不代表真正物理意义上的功率或能量，但功率谱密度可以看成是一定频率谐波分量能量的相对大小。采用Matlab工具，运用Welch方法的海明窗函数［13］对金属导爆索水下爆炸声信号进行分析，功率谱变化曲线如图5所示。

从图5可以看出，金属导爆索水下爆炸功率谱随频率的衰减变化规律为:在0～20 kHz迅速衰减，在20～1 000 kHz范围内在200 dB上下摆动，随后在1 000～1 500 kHz范围内急速下降，1 500 kHz以上部分降至123 dB附近，近似成平台。金属导爆索在100 kHz以下声功率谱的相对能量可达到230 dB以上，在10 kHz以下的相对能量最高达到290 dB，说明在低频段能量最高。金属导爆索水下爆炸声的频率范围非常广，1 000 kHz范围内都有很强的能量。

4结论

图5 金属导爆索水下爆炸功率谱Fig.5 Power spectrum ofmetal-clad detonating cord

通过对金属导爆索水下爆炸水声特性的研究，得出如下结论:

(1)金属导爆索作为水下爆炸声源所产生的声压信号波形近似为一个平稳、连续的波，与单发弹药相比可明显提高水下爆炸脉冲宽度，水下爆炸声压级较高，完全可以达到200 dB以上，金属导爆索的爆炸声压级在持续15 ms后仍在200 dB上下摆动，具有很强的声功率;

(2)金属导爆索水下爆炸时冲击波持续时间非常短，但冲击波过后产生的气泡脉动和随后的大量小气泡持续时间非常长，能显著提高水下爆炸的混响效应和水下爆炸声持续时间;

(3)金属导爆索水下爆炸声的频率范围非常广，在1 000 kHz范围内都有很强的能量，特别是在10 Hz以下低频段能量最高。

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