不同材料对声光弹声光效应的影响

刘阳铭，庄弘炜，卢 玲

（武警工程大学装备工程学院，陕西 西安，710086）

随着声光弹在当前国内群体性事件中的不断运用，对声光弹的非致命性要求也更加突出。因此，当前使用的壳体材料更趋向于杀伤性小的塑料外壳甚至纸壳。本文以声光弹爆炸时产生的声强，光强为检验指标，利用声光弹特性测试系统，对不同塑料材料壳体对声光弹的爆炸声光效应进行了对比研究。

1 声光效应实验

1.1 实验材料及样品

实验弹采用圆柱形壳体，直径33mm，高64mm，壁厚2mm。以高氯酸钾、铝粉、粘合剂（66%KClO4+34%Al+3%粘合剂）制成烟火剂，装药量为37g。

1.2 实验原理

采用西安工业大学精密光学测量研究所生产的声光弹特性测试系统，该系统是利用声传感器和光传感器获取声光弹爆炸时瞬时产生的强噪声和强闪光信号，获得的声压和光强信号经过传感器转换为电信号，再经过信号处理电路，测量声光弹爆炸在传感器所在位置的噪声级和强闪光强度，如图1所示。图1中，当声光弹爆炸后，产生的声信号和光信号被位于距爆炸点R处的传感器接收，经过处理后获得传感器处的噪声级Lp和强闪光强度I[1]。

图1 声光试验布局图Fig.1 Layout of the sound and light test

式（1）中：S为传感器灵敏度；α为一致性系数。

有效照度为

式（2）中：Δt表示峰值照度25%处的时间t1-t0之差值，单位为s。

若位于R处的声传感器输出电压信号幅值为V，则R处的瞬时声压为

有效声压为：

利用公式

可将声压和有效声压转化为分贝表示形式[2]。

1.3 实验结果

实验测得的光强、声强数值见表1～2，实验弹爆炸的光强——时间曲线如图2所示。

图2 各塑料材料声光弹I——t曲线Fig.2 I——t curve for various plastic materials

表1 不同壳体材料对应的光强值Tab.1 Light intensity value of different shell material

表2 不同壳体材料对应的声强值Tab.2 Sound intensity value of different shell materials

2 实验结果分析与讨论

2.1 塑料材料性能对比分析

塑料材料的选择需要考虑弹药的使用环境、载荷类型、作用方式和使用对象等。作为声光弹材料，需要有一定的冲击强度和硬度，适中的拉伸强度和尺寸稳定性，同时还要求吸湿性小，不容易被点燃。丙烯腈、丁二烯、苯乙烯组成的三元共聚物（ABS）、聚氯乙烯（PVC）、聚酰胺（PA）的主要性能对比见表3[2]。

表3 3种材料主要性能对比Tab.3 Performance comparison of the three materials

玻璃纤维增强ABS复合材料是一种新型复合材料。它保持了ABS材料的力学性能、电学性能、热学性能和加工性能，而且可以提高复合材料的弹性模量、刚度和热变形温度，降低了材料的线膨胀系数和成型收缩率，增强了制品尺寸稳定性。加入玻璃纤维的性质和数量不同，所得到的玻璃纤维增强ABS的性能亦有所差别，随着玻璃纤维含量的增多，复合材料的拉伸强度、耐热性提高；缺口悬臂梁冲击强度、无缺口简支梁冲击强度、熔体流动速率降低和断裂伸长率下降。玻璃纤维的含量与改性ABS的关系如图3所示[3]。

2.2 强度对声光效应的影响

表1表明采用不同材料的壳体，弹丸爆炸后产生的光强是有差别的，在同等装药及外部环境条件下，采用ABS壳体材料的声光弹的发光强度最佳，而采用玻纤增强ABS复合材料的声光弹的发光强度最差，其峰值对比如图4所示，但光强仍属于人眼暂时失明范围之内。

图3 玻纤含量对ABS复合材料拉伸与冲击强度的影响Fig.3 The influence of glass fiber content on tensile and impact strength of ABS

图4 不同壳体材料光强峰值对比Fig.4 Peak light intensity comparison of different shell materials

声光弹的声光效应来源于闪光剂效能的发挥。闪光剂发光是通过黑火药燃烧时产生的热辐射热诱导加热闪光剂，使闪光剂产生高速翻转运动——碰撞，在一定热气压力下的激励爆炸发光。实验证明闪光剂只是产生单一的激励爆炸光，而在无压力条件下也可点燃；在无压力条件下点燃时，产生的光要比在高压激励条件下发出的光弱得多，这种光的强弱与辐射和压力等因素有关[4]。

联系闪光剂的作用原理，比较不同材料的性能与发光强度之间的关系，可以发现其发光强度与强度密切相关，强度太低时，未能达到支持发光工质激励时所需要的压力既已破碎，闪光剂未完全燃烧达到反应最高温度，从而不能保证发光强度；强度太高时，破碎消耗的变形能量增大，而总能量一定，从而释放的光能减少，发光强度降低。

在结构一定的条件下，材料的性能是影响声光弹声光效应的重要因素。冲击强度高的韧性材料在冲击载荷的作用下，发生塑性断裂而具有较好的声光效应；而冲击强度低的脆性材料在冲击载荷作用下，发生脆性断裂而具有较差的声光效应[6]。

ABS材料声光弹产生的声光效应最好，最大能达4.63×107cd；玻纤增强ABS材料声光弹声光效应最差，最小为1.05×107cd。采用不同材料的声光弹，爆炸后产生的光强是人眼强光致伤标准106cd的9～45倍左右，属于人眼暂时失明的损伤阈值范围之中；发出的声响介于159～175dB之间，基本属于声光弹的损伤阈值范围160～180dB[6]之内，能够达到利用声、光特性的威慑与非致命作用。但不同材料产生的声光效应是有差别的，说明材料的性能是影响声光效应的主要影响因素。

3 结论

（1）不同塑料材料对声光弹的影响有所不同，但都能够达到利用声、光特性的威慑作用。

（2）强度直接影响着光辐射强度和声强，以及其持续时间。ABS所产生的声光效应最佳，玻璃增强ABS所产生的声光效应最差，且差异较大。

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[5]梁斌,卢永刚,杨世全,等.不同装药爆炸威力的数值模拟及试验研究[J].火炸药学报,2008,31(1):6-11.

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