反蛙人次声武器次声场特征研究

张洪刚，谢　勇，黄柏佳

(1.海军工程大学 兵器工程系，武汉　430033; 2. 91388部队，广东 湛江　524000)



反蛙人次声武器次声场特征研究

张洪刚1，谢勇2，黄柏佳1

(1.海军工程大学 兵器工程系，武汉430033; 2. 91388部队，广东 湛江524000)

由于武装蛙人在小规模海上冲突中的威胁越来越大,对次声武器应用于反蛙人作战进行了研究。分析了次声的损伤机理及杀伤阈值，对次声场的分布特征进行了仿真，并研究了大功率次声源技术。

次声；武器；蛙人

本文引用格式：张洪刚，谢勇，黄柏佳.反蛙人次声武器次声场特征研究[J].兵器装备工程学报，2016(8):11-14.

随着人类社会的不断发展，大规模武装冲突发生的概率越来越低，各种形式的非对称局部冲突逐渐成为主流。在低烈度海上冲突中，武装蛙人的威胁越来越大，其对海上石油钻井平台、重要港口、孤立岛屿等目标造成了严重威胁。

世界各国一直致力于研发高效的反蛙人武器装备，该类装备通常由探测装置与攻击武器组成，首先通过声纳等设备发现蛙人目标，再利用爆破、电击等攻击武器消灭或驱离目标。但是，由于蛙人目标具有隐蔽性好、机动性强、高度智能的特点，导致该类武器的实际探测与攻击效果有限。

大量研究表明，一定功率和频率的次声波可以对人体造成伤害，次声武器也是各国重点研究的新概念武器，据报道美国等西方国家已进行了大量次声武器的研制与试验。如果将次声武器应用于反蛙人作战，由于其具有杀伤范围大、非致命、反应迅速及使用成本低等特点，必将对重要防护区域的反蛙人作战提供巨大帮助，具有重要的军事意义。反蛙人次声武器是一种新概念武器，其需要解决的关键技术包括次声波的频率、强度阈值的选取；不同海区、不同水文条件下次声场的分布特征及其安全控制技术；稳定可控的大功率次声源技术等，作者对以上关键技术工程实现的可行性进行了探讨与研究。

1　次声波的特点及对人体的损伤机理

1.1什么是次声

次声一般是指频率在10-4～2×10-4Hz的声波，次声波不能引起人耳的听觉反应，但是次声波基本的物理性质与其他频段的声波是一致的。许多自然现象如大气湍流、地震、火山爆发、闪电、台风等都伴随有次声波的发生，在与人类有关的活动中，如核爆炸、火箭发射、高铁、飞驰的车辆甚至鼓风机、搅拌机等也会产生次声波，其声压级水平可以达到90～135dB。次声波的频率低、波长长，因此传播过程中衰减很小，次声波既能穿透空气、海水、土壤，也能穿透钢筋混凝土、舰船壳体等。次声在人们的生活环境中普遍存在，低强度的次声不会影响人类的正常生活，但是当次声的能级增大到一定程度时就可能对人类造成不同程度的伤害，因此人们开始致力于次声武器的研究[1]。

1.2次声对人体的损伤机理

当人体受到低强度次声影响后，主要表现为非特异性的应激反应及神经内分泌失调症状，如烦躁、耳痛、头痛、恶心及平衡失调等，高强度的次声可导致人体严重的生理变化，甚至死亡。

研究表明，高强度次声对人体的危害主要是共振效应引起的。人体可以看作是一个机械振动系统，各器官及其组成部分都有其固有的振动频率，这种频率称为人体阿尔法节律。比如人体头部的共振频率为8～12 Hz，胸腔为4～6 Hz，心脏为5 Hz，腹腔为6～9 Hz。这些固有频律正好在次声的频率范围内，当作用于人体的次声频率与某一部位的共振频率接近或相等时即会引起生物共振反应，一方面能刺激躯体感受器，使人神经错乱产生癫狂；另一方面使人脏器产生强烈共振，产生恶心、呕吐及强烈不适感，失去战斗力，甚至引起脏器的永久性损伤以至危及生命[2]。

1.3次声武器效能的影响因素

次声武器对人体的伤害效果取决于以下3个因素：① 次声的频率；② 次声暴露时间的长短；③ 次声源强度的大小。关于第一个因素可以在武器运用时选定某一固定频率，也可以产生多个频率的叠加信号，以增强毁伤效果。后两个因素有密切关系，对于次声武器，要求在尽可能短的时间内予以杀伤，这个最大时间取决于对目标的发现距离及目标的运动速度。

研究表明，次声波要使人体产生生理反映，其声压级要高于某一阈值，一些国家从防护的角度开展次声暴露限值的研究，并制定了次声暴露限值标准。如美国环保局提出：次声强度在130 dB以下不会构成对公众的危害；德国制定的工业噪声源附近的次声和低频噪声限值见表1所示；日本在人群调查、个案研究和实验室研究的基础上提出对居住和工作环境的次声限制为不超过120 dB。1973年巴黎国际次声专业会议提出：2 Hz次声的允许暴露界限是130 dB，4 Hz是128 dB，8 Hz是125 dB，16 Hz是120 dB。

表1　工业噪声源附近的次声和低频噪声夜晚

科学家们在进行大量研究后普遍认为，次声强度在140 dB左右时，即使作用时间较短也会引起人体内脏器官机能改变。当次声强度上升到150 dB时会引起人体内某些器官产生病变，如果次声强度再升高，不仅会使人生理病理方面产生明显变化，甚至会导致人伤亡。有国外学者认为150 dB次声作用下，人体最多可耐受2～3 min。因此，目前一般把150 dB的声强级定为人体承受次声的安全极限。

次声武器对人体的杀伤效果缺乏实验数据的支持，但是可以通过对动物的实验间接证明，如在对狗、猴子和狒狒等动物进行试验发现，狗在172 dB高强度次声波的作用下，呼吸显著困难，几乎出现窒息。猴子和狒狒的耐受性相对好些，但呼吸率也下降30%，如果声强再增高，比如达到195 dB以上时，用6～9 Hz的次声波对动物进行实验，它们会立刻死亡[3]。

2　次声场的分布特征

2.1次声波的能量特征

声波在空气和海水中传播时会产生能量损失，声波会越来越弱，发生传播损失主要是扩展损失和吸收损失，其中吸收损失随声波频率的降低而减小，这也是低频声波在海洋中传播距离更大的原因。如果扩展损失采用柱面扩展的假设(传播损失TL=10logr，r的单位为m)并忽略次声波的吸收损失，可以得到在距声源1 000 m 的距离时，次声波强度会降低30 dB。由此可以认为，在开阔水域次声武器的杀伤范围一般在数百米。在半封闭或接近全封闭形状的港口、码头区域，次声武器产生的次声场分布会受到海湾几何形状、海区深度、海底底质、海况等的影响，需要具体进行仿真分析。另外还可以利用次声波的反射、相干特性进行声聚焦，控制杀伤区域，达到反蛙人的目的。

2.2声波由水中透射到空气的能量损失

海水中传播的声波可以透过分界面传播到空气中，从而产生空气中的衍生次声波场，如果从海面透射的次声波达到一定强度，就会对己方人员造成伤害。

当声波从一种介质进入另一种介质时会发生反射和折射，反射波按一定的角度反射回原介质中，折射波透入第二种介质。反射波符合式(1)的反射定律，折射波符合式(2)的折射定律:

反射定律

(1)

折射定律

(2)

式(2) 即著名的斯奈尔定律，其中:θi、θr、θt分别是入射角、反射角、折射角；c1、c2分别是第一种、第二种介质中的声速。

如果声波由海水透射入空气中，那么在海平面会发生反射与折射。那么反射系数V(分界面上反射波声压与入射波声压之比)与折射系数W分别为

那么，若入射声波强度为Ii，折射声波强度为It，则透射损失为[4]

(5)

已知海水的特征阻抗Z1=ρ1c1≈1.5×106Pa·s/m，空气的特征阻抗Z2=ρ2c2≈415 Pa·s/m,当声波垂直射入空气时，透射损失的计算按式(6)，损失值约为30 dB。透射损失随入射角θi的变化关系如图1所示，可见垂直入射时透射损失最小，随着入射角度的增大，透射损失变大，当入射角度为60°时，透射损失约为35 dB。

(6)

图1　透射损失随入射角的变化关系

2.3声波透过舰船壳体的透射损失

次声的穿透能力强，可穿过舰船壳体透射到舰船舱室中，如果舰船距离次声源较近，那么透射入船体的次声波就会对船员造成伤害。透射问题与反射、折射问题类似，定义透射系数T参考式(7)，I1是第一种介质的入射声强，I3是第三种介质中的透射声强。

(7)

当声波从海水透射入舰船舱室，第一种介质是海水， 第二种介质是钢板，第三种介质是空气。声波垂直入射时的透射系数见式(8)，k2=ω/c2为第二种介质中的波数，d为第二种介质的厚度。

(8)

由于次声波长非常大，因此有k2d≤1，那么次声波通过舰船壳体的透射损失可近似为

(9)

式(9)与式(5)在声波垂直入射条件下是相同的，即透射损失约为30dB。在斜入射条件下，声波在固体中传播时不仅有压缩波，还有切变波，但是由于中间层厚度远小于次声波长，因此次声波在中间层的损失很小，透射损失规律与图1相似。

对次声场分布特征的仿真计算表明，一方面次声武器由于是面杀伤武器，其作用范围较大，效率高于点杀伤的水下枪械、深弹等；另一方面，次声波透射入空气、舰船舱室后至少衰减30dB，大大降低了次声武器对本方人员造成伤害的风险，因此相对于空气中的次声武器，水下次声武器更容易实现。

3　大功率次声源的研究现状

工作稳定、可靠的武器级的次声发生装置是反蛙人次声武器系统的关键，这类次声源需要满足的关键技术主要是足够大的辐射声功率和精确的次声频率控制，某些情况下还要求有好的指向性。当前声纳等水下声系统都是采用基于压电效应的水声换能器产生声波。在0～20 Hz的次声频率范围，虽然可以利用大量换能器组成阵列的方式产生次声波[5-6]，但是其功率和体积都过大，难以达到武器级次声源的要求。

目前世界上很多国家都在进行人工次声源的开发研究，其发声原理也大相径庭。从声波产生的方式看主要有电发声、爆炸发声和流体发声3大类。其中流体发声是指在一定的压力下将压缩空气、高压蒸汽或高压燃气等流体控制排出并激发周围媒质的振动，形成所需频段和强度的连续声波，目前研制成功的次声源大多基于该方式[7-8]。

例如，国外的某型大功率、超低频率次声源(如图2所示)采用稀土永磁技术，利用放在非磁性壳体内的闭环内部压缩空气压缩系统进行压力补偿，可以产生4～600 Hz，平均声压级达到188 dB的辐射声波，并可稳定工作于20 m深的水下。

图2　某型大功率超低频发射换能器

4　结论

传统反蛙人武器对于蛙人目标不容易进行精确探测与攻击，本文对次声这种新概念武器应用于反蛙人作战的可行性进行了探讨，分析了次声波对人体的损伤机理及杀伤阈值，对次声波在水下的分布特征进行了初步仿真，并介绍了武器级次声源的发展现状。结果表明，将次声武器应用于反蛙人作战是具备可行性的，相对于传统武器，次声武器具有杀伤范围大、反应迅速及使用成本低等诸多优点，具有很好的发展前景。本研究只是对反蛙人次声武器实现的可行性进行了探讨，对于次声武器工程实现时的损伤效果、杀伤范围、不同条件下次声场的分布特征等，还需要进行深入研究。

[1]张彦敏，佟盛.反蛙人技术在港口监控中的战术应用[J].舰船科学技术,2008，30(6):168-171.

[2]赵选科，王莲芬，何俊发.次声波及次声武器[J].大学物理,2005，24(25):57-59.

[3]郭毅军，蔡绍皙，赵志强,等.次声波与次声武器[J].生物学通报,2007，42(7):3-5.

[4]许肖梅.声学基础[M].北京：科学出版社，2003.

[5]肖峰.现场可控非致命的次声武器研究[J].兵工学报,2002，23(3):426-429.

[6]张娜，乔卫东.基于声学参量阵的次声波定向仿真技术研究[J].西安理工大学学报,2012，28(3):356-360.

[7]张兵.叶片式次声发生装置研究[D].长沙：国防科学技术大学，2011.

[8]董明荣，陈克安，许学忠,等.高声强次声产生装置声场特性实验研究[J].振动工程学报,2013，26(3):404-409.

(责任编辑杨继森)

Research on Infrasound Field Characteristic of Anti-Diver Infrasound Weapons

ZHANG Hong-gang1，XIE Yong2, HUANG Bai-jia1

(1.Department of Weapon Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China;2.The No. 91388thTroop of PLA, Zhanjiang 524000, China)

Because the dangerous of underwater divers is more serious in low level sea battles, the practicality of infrasound wave weapon applied on anti-diver battle was studied. The fundamental and threshold of damage on divers was analyzed, the distribution of underwater infrasound field was simulated and high power infrasound source was researched.

infrasound wave; weapon; underwater diver

2016-02-17；

2016-03-08

张洪刚(1980—)，男，博士，讲师，主要从事水声工程，水中兵器自导技术研究。

10.11809/scbgxb2016.08.003

format:ZHANG Hong-gang，XIE Yong, HUANG Bai-jia.Research on Infrasound Field Characteristic of Anti-Diver Infrasound Weapons[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(8):11-14.

O425

A

2096-2304(2016)08-0011-04

【装备理论与装备技术】