Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆响剂的配方优化及声辐射特征❋

李成龙 关 华南京理工大学化工学院（江苏南京，210094）

Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆响剂的配方优化及声辐射特征❋

李成龙 关 华
南京理工大学化工学院（江苏南京，210094）

为了寻求具有宽频特征的燃烧型烟火水声药剂材料，基于爆炸声具有水声频带较宽的特点，将Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆响剂引入水下。首先，研究Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆响剂中Pb3O4组分含量变化对A声压级的影响规律，并优选出A声压级最高的药剂，制成样品，并在水下点燃，利用水声测试系统研究其声频特征。结果表明，Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆响剂A声压级随着Pb3O4含量的增加而增大，当外加Pb3O4的质量分数为75% ～100%时，A声压级最高，可达到108.3 dB。将此Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆响剂与烟火药制成样品，在水下点燃，产生的水声频率覆盖0～8 000 Hz，且出现锯齿形峰，0～1 000 Hz范围内最大声压级为116 dB。因此，Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆响剂可作为一种潜在水声干扰材料。

烟火药；Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆响剂；配方优化；水下燃烧；声压级

引言

烟火药是由氧化剂、可燃剂和黏合剂等组成的机械混合物。烟火药种类很多，可以产生声、光、烟、色、气动等特种效应。一般烟火药以燃烧特性为主［1］，利用烟火药水下燃烧可产生低频声辐射特征，美国专利［2］报道了一种在港口等有限区域内用于扫除水雷的一种简便、低廉的低频、高强度水下噪声源，该声源装置利用的是烟火药水下燃烧与水作用形成的声能。国内，欧阳的华等［3-4］的相关研究结果表明，具有脉动燃烧效应的烟火药水下燃烧频率主要集中在0～2 000 Hz频率范围，最高声压级为51 dB；添加高热剂后，烟火药的水下能量主要集中在0～5 000 Hz范围。Li等［5］将烟火药与哈特曼结构组合进行水下试验，结果表明，增加该结构只能在125～1 000 Hz范围内增加一定声压级。由于烟火药水下燃烧产生的声辐射具有持续时间长、频率低、声源结构简单等其他声源无法比拟的优点，因此，燃烧型声源可满足水声对抗需要，但主频范围应有所拓展。而炸药水下声源具有宽频带特性［6］，试验证实［7］，水下爆炸声波从几赫兹到几万赫兹都有相当强的声功率，可完全覆盖各类水声器材的各个工作频段；但其声持续时间很短，只有2 ms［8］。

结合两种水下声源的优势，基于炸药爆炸水声高功率、宽频带的特性，拟将具有微爆性能的烟火药引入水下，试图拓展烟火药燃烧产生水声频率。因此，本文首先对Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆响剂配方进行了优化，研究了Pb3O4含量对Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆响剂声特征的影响规律，再对A声压级较高的药剂进行水下燃烧试验，探讨其水下声频特性。该研究对探索新型低频化、宽频带、高功率水声对抗器材具有一定的参考价值。

1 试验部分

1.1药剂

Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆响剂被点燃后，发生铝热反应，产物MgO和Al2O3形成密封外壳，而产物中形成的Cu-Pb合金受大量热作用，迅速汽化冲破外壳，形成振动，产生爆炸效果。

经过氧平衡计算，微爆药剂基础配方为m （CuO）∶m（Mg4Al3）=7∶3，称量质量为10 g的上述原料，将Pb3O4按比例加入，充分混合后形成均匀的微爆药剂。过筛，取10目筛下物、20目筛上物在干燥箱中烘干，用于大气试验。将大气中A声压级值较高的配方取药剂20粒，用于水下试验。

1.2大气中声响特征测试

仪器:声级计主要由单通道声学振动分析仪、前置放大器、声校准器、传声器、图谱分析软件数据处理系统等组成。其中，声学振动分析仪采用B&K2250L；图谱分析软件采用BZ-5503 Utility Software。

方法:测试试验在大气中进行，试验环境开阔，声级计与样品水平距离为1 m，两者高度为1.5 m。安置好试验仪器后，经测定，环境噪声在55 dB以下，声级测定仪参数设置为A计权网络和1/3倍频程，开始测量后点燃样品。

试验中的声级测定，假设样品1#的A声压级为LA1，LA1ij表示配方1#的第i个样品在1/3倍频程下第j个频带上的声压级（其中i=1，2，3，4；j=1，2，3……，32）。根据噪声声级叠加公式（1），获得了配方1#的各个样品A声压级:

1.3水下声辐射特征测试

仪器:水声测试仪器由水听器（B&K-8104）、电荷放大器（B&K-2610，1 mV/Pa）、信号采

将配方1#的4个样品A声压级值的算术平均值作为配方1#的A声压级值:集分析系统等组成，测试范围20～100 000 Hz。其中，消声水池规格为15 m×15 m×8 m，其内注满自来水，装置与水听器之间的距离为1 m，装置及水听器均放置在水下1 m处。测试装置见文献［3］。

方法:选出的药剂与2 g黑火药混合均匀，放置在直径18 mm、高30 mm的金属管壳中，再将装药管壳放置在直径100 mm、高500 mm的非密闭金属管壳中，仅在距端口50 mm处有4个直径为20 mm的对称的出气孔。测试方法参照国家标准［9-10］，采用恒定带宽，水听器采集到的信号经电荷放大器，再由信号采集分析系统记录下来，以1 μPa为参考声压，在计算机中进行分析和处理。

2 结果与讨论

2.1Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆响剂大气中的声辐射特征

Pb3O4含量对Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆响剂影响较大，按照Pb3O4质量分数由低到高顺序依次添加到反应体系中，共设计21个配方样品，并按顺序燃放，每个配方有4个样品，总质量1 g。试验测定样品的A声压级，Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆响剂中Pb3O4质量分数变化对A声压级影响如表1所示。

由表 1可知，Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆响剂中Pb3O4含量与其A声压级关系存在以下特点:配方1#～9#，即Pb3O4质量分数在0～40%之间，A声压级集中在80.9～85.5 dB，呈现缓慢的递增趋势；配9#～16#，即Pb3O4质量分数在40% ～75%之间，A声压级集中在85.5～108.3 dB，声压级递增较快；配方16#～21#，即Pb3O4质量分数在75% ～100%之间，A声压级在105.3～108.3 dB，变化幅度不大。因此，随着爆响剂中Pb3O4含量增加，A声压级逐渐增加，当Pb3O4质量分数为75%，A声压级达到最大值108.3 dB，再增加Pb3O4含量，A声压级变化不显著。

爆响剂主要组分为Mg4Al3、Pb3O4和CuO，当药剂点火后，三者发生铝热反应如下:

在这两个反应体系中，各物质的标准生成热为: Pb3O4，715 kJ/mol；MgO，611 kJ/mol；Al2O3，1 675.7 kJ/mol；CuO，175 kJ/mol；金属单质都为0。经过计算，反应（3）中每克Pb3O4反应释放的热量为2.76 kJ；反应（4）中，每克CuO反应释放的热量为5.36 kJ。假设药剂混合均匀，则配方中每克 Mg4Al3/ CuO/Pb3O4爆响剂反应释放的热量见表2。

表2　每克爆响剂释放热量Tab.2 Heat released by 1 g explosive agent in the reaction

由表2可知，随着Pb3O4含量的增加，每克药剂的产热量有所下降，配方之间最多相差0.50 kJ。但结合表1可知，Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆响剂的A声压级与药剂的放热量及氧平衡有着密切的关系。

当Pb3O4质量分数不高于 40%，氧平衡为-0.86～-0.50 g/g，放热量为3.47～3.75 kJ，而此时的Pb3O4量还不能产生足够的Cu-Pb蒸汽，而使多余的Mg4Al3汽化热量不够，导致A声压级较低。随着Pb3O4质量分数增加至40%～75%，出现第二个阶段，形成的Cu-Pb蒸汽逐渐增多，引起空气振动的反应也就越多。当Pb3O4质量分数达到80%以上时，配方的氧平衡也开始接近0。反应中，产物Cu、Pb与未参加反应的 Mg4Al3形成 Cu-Pb-Mg-Al合金，配方17#的放热量为3.31 kJ，恰好使该合金汽化，进而达到较高的A声压级。

配方主成分为CuO和Mg4Al3的时候，放热量会很大，多余的Cu-Mg-Al合金吸收释放的热量。但是，含有Pb3O4药剂的配方，反应产物中沸点更低的Cu-Pb-Mg-Al合金会吸收其释放的热量，而同样的热量会使更多质量的Cu-Pb-Mg-Al合金汽化。所以，当配方中放热量与形成的合金汽化吸热量相匹配时候，即反应热恰好能使反应产物的金属合金汽化，进而蒸汽冲破MgO和Al2O3形成的坚硬外壳，使空气压缩，产生较高的A声压级。

为了解声响药剂在大气中的声谱特征，将样品声谱特征进行归纳总结，发现其特点为:400～5 000 Hz的A声压级较高。其中，与样品16#A声压级对应的声响频谱曲线如图1所示。

由结果可知，Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆响剂中Pb3O4含量的增加，对频率范围10～400 Hz处影响较小，对于频率大于1 000 Hz处的声压级提高有明显作用；当Pb3O4质量分数从25%加到75%，1 000 Hz处声压级从70 dB上升到80 dB。主要原因是Cu-Pb-Mg-Al合金的含量增加，其汽化吸收热量与反应放热量逐渐匹配，冲破MgO和Al2O3的能力更强，表现为1 000 Hz以上频率A声压级增加。

2.2Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆响剂的水下声辐射特征

按照水下声辐射特征测试方法，将A声压级较高的Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆响剂颗粒（Pb3O4外加质量分数75%）放入水下，点火后测试其水声特征，获得的声谱特征如图2所示。

从图2可看出，Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆响药在设计的装置中作用，在中、低频段都有覆盖。其中0～1 000 Hz对应最高声压级为116 dB，在2 000～8 000 Hz处，最高声压级为129 dB。本文试验结果相较于文献［3］中烟火药水下试验（图3）频率范围更宽（在2 000～8 000 Hz也有作用），且低频处声压级也高出65 dB。

从图1与图2可知，Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆响剂在大气中与水下声频的峰值处基本没有变化，集中在2 000 Hz处附近，且能量都集中在高频1 000～8 000 Hz范围。这主要是因为声波的频率决定于振动源的振动频率，与介质无关。

分析表明，出现间断锯齿形尖峰的主要原因是:本试验中黑火药点燃后，引爆爆响药剂，引起金属管壳中的空气振动，经过金属壁传递入水中，进而引起水中的振动。此过程中每个爆响药粒都是一个独立的声源，而黑火药不断点燃的爆响药，直接导致几个声源产生的振动叠加，在不同频率处具有峰值。但是，整个过程相对于水中爆炸来说是一个持续的、相对稳定的过程，可以存在较长的作用时间，而不是水中爆炸能量瞬间释放。

3 结论

1）不同含量的Pb3O4对Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆响药剂A声压级影响规律为:随着基础配方中Pb3O4含量的增加，其 A声压级值改变不明显（Pb3O4质量分数为0～40%）；之后A声级值级不断升高，当Pb3O4质量分数为75%～100%时，可得到较高A声压级值，微爆性能更好。其中，当Pb3O4外加质量分数75%，每克药剂放热量为3.33 kJ，A声压级最高，为108.3 dB，频率集中在400～5 000 Hz。

2）Mg4Al3/CuO/Pb3O4爆响剂水下试验结果与烟火药水下燃烧相比，作用频率范围更广（烟火药为0～2 000 Hz，爆响剂为0～8 000 Hz），低频段最大A声压级高出65 dB（烟火药为51 dB，该爆响剂为116 dB）。可以考虑作为一种燃烧式水声频率拓展材料。

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Optimization of Mg4Al3/CuO/Pb3O4Explosive Agent and Its Acoustic Radiation Characteristics

LI Chenglong，GUAN Hua
School of Chemical Engineering，Nanjing University of Science&Technology（Jiangsu Nanjing，210094）

In order to obtain a combustible pyrotechnic material with a characteristic of broadband，which can be used as an underwater acoustic agent，Mg4Al3/CuO/Pb3O4explosive agent was studied basing on the wide frequency band of underwater detonation.Effect of Pb3O4content in Mg4Al3/CuO/Pb3O4explosive agent on the A-weighted sound pressure level（SPL），was researched，and agent with the hig hest A-weighted SPL was selected.The sample made from the optimal agent was lighted underwater，and the acoustic features were analyzed by an acoustic test system.Results show that A-weighted SPL of the Mg4Al3/CuO/Pb3O4explosive agent increases with the increasing of Pb3O4content.When mass fraction of Pb3O4is 75%-100%，its SPL is the highest，which can reach to 108.3 dB.When samples made from the explosive agent with the highest SPL and the pyrotechnicis lighted underwater，the acoustic frequency of detonation could cover from 0 to 8 000 Hz，jagged peaks appears，and the highest SPL is 116 dB in the range of 0 to 1 000 Hz.So pyrotechnic can be used as a potential acoustic jamming material.

pyrotechnic；Mg4Al3/CuO/Pb3O4explosive agent；optimization of formulation；underwater combustion；sound pressure level（SPL）

TQ567

10.3969/j.issn.1001-8352.2016.04.002

2015-09-23

李成龙（1990-），男，硕士，主要从事军事烟火技术的研究。E-mail:lclzzz@126.com

关华（1965-），女，博士，教授，主要从事无源干扰与光电对抗研究。E-mail:guanhua@njust.edu.cn