温压炸药爆轰地震效应测试及其衰减特征分析

张梦妹，孔德仁，陈威铮，商 飞

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)



温压炸药爆轰地震效应测试及其衰减特征分析

张梦妹，孔德仁，陈威铮，商 飞

(南京理工大学 机械工程学院，江苏 南京 210094)

大当量的弹药爆炸时产生的地震效应不可忽视，建立弹药爆炸场地震波测试系统并准确测量出地震波数据对于弹药的威力评定具有重要意义. 为了研究温压炸药的爆炸地震效应，本文结合实际的爆炸场环境，组建地震波测试系统，开展试验进行测试，并将温压炸药的爆炸地震效应与TNT进行比较，测试和分析结果表明： 等体积装药的温压炸药爆炸产生的地震效应强度比TNT大，地面振动速度幅值随时间衰减比TNT快； 温压炸药爆炸地面振动幅值随距离变化而迅速衰减，其衰减速度比TNT快.

爆炸地震效应； TNT； 温压炸药； 衰减特性

炸药在空中爆炸后，瞬时转变为高温高压产物. 爆炸产物在空气中进行膨胀，强烈压缩空气从而形成爆炸空气冲击波. 当冲击波垂直撞击炸药正下方的地面时会发生正反射，同时有一部分能量转换为地震波. 冲击波继续向外传播时，其不断与地面发射碰撞，因此冲击波在地面发生斜反射时，也同样会产生地震波[1]. 大当量的弹药爆炸后，除空气冲击波的毁伤作用外，产生的地震波对相应目标的影响也是不可忽略的.

目前在对云爆弹、 巨型弹和温压弹等武器弹药的研究中，主要集中在超压场、 温度场、 破片和窒息效应方面[2,3]，对于其爆炸场地震波的研究十分少. 在对地震波的研究中，国内外学者对于工程爆破产生的地震波的研究较多，且多是对于土中、 水中或岩石中爆破产生的地震波进行研究[4,5]，部分文献[6,7]对于弹药在地面以上爆炸场的地震波特性进行了研究，但研究的弹药的当量较小，对于大当量的温压炸药爆轰地震效应的研究较为少见. 传统的TNT是点爆轰，而温压弹的爆轰过程是一种体爆轰，温压炸药爆轰引起的地震波与TNT点爆轰引起的地震波有何区别值得研究.

本文组建测试系统对温压炸药爆炸地震效应进行测试，分析其衰减特征，并与TNT爆炸地震效应进行比较. 温压炸药爆炸地震效应的测试将为大当量温压弹药的预先研究设计、 毁伤威力评估和防护工程设计等提供有效的技术支持和规范化数据[8].

1 地震波测试系统

1.1 炸场地震波特性

爆炸场地震波是非平稳随机信号，具有持续时间短、 突变快等特点，在地震波传播过程中，地震波包含的不同类型波传播速度不一样. 纵波传播速度最快，横波速度次之，瑞利波最慢. 在近距离处，纵波、 横波和瑞利波几乎同时到达，很难辨认地震波的类型； 在远距离处，传播较慢的横波、 瑞利波开始与纵波分离，可以分辨它们，且横波和纵波的能量较小，幅值较低，实际上从震动波的特点来看，主要成分是瑞利波. 瑞利波到达后，将在地面产生一个幅值较大，具有冲击特性的振动脉冲[9]，使地面做不规则的强烈振动，之后地面振动的强度逐渐衰减，表现为自由阻尼振动. 由于爆炸场地震波突变快和持续时间短的特点，测试传感器的响应时间应尽量短，测试系统可靠性要高，且大多数情况下地震波频率范围在30～300 Hz[10]，传感器要满足地震波频率范围的要求.

1.2 测点布置

为了研究爆炸场地震波随距离的衰减规律，将测点布置在沿着爆心的同一径向的直线上，且为了较好地拟合地面振动峰值速度随距离的衰减规律，至少布置4～6个测点，本文试验放置了5个测点.

试验时炸药放置在离地3 m处，并保证放置炸药的架子水平. 试验测点布置如图 1 所示，传感器1～5 距离爆心的水平距离分别为40 m, 53.5 m, 60 m, 67 m, 80 m. 测试时采用内触发方式，触发的振动速度设为0.1 cm/s，采样频率16 kHz，采样时间5 s，预采样时间-200 ms.

图 1 试验测点布置图Fig.1 Test point arrangement

1.3 系统组成及原理

图 2 测试系统框图Fig.2 Test system block diagram of seismic wave

地震波在远场主要成分是瑞利波，瑞利波在切向、 径向和垂直3个方向的振动速度存在一定的关系，因此可以选择一维方向的速度进行地震波测量，而垂直方向比较便于安装传感器，所以本文采用质点垂直振动速度作为温压炸药和TNT爆炸场地震波的测试量.

本文组建的爆炸场地震波测试系统由速度传感器，信号调理模块和数据采集系统3部分组成，其系统框图如图 2 所示.

结合各方面要求，本文选定磁电式单项速度传感器，其频响范围为5～500Hz，且选择的传感器内置了信号调理模块，因此可直接与数采相连. 选择的磁电式速度传感器为惯性传感器，当炸药爆炸后，产生的地震波向远处传播，传感器与大地紧密连接，地面振动时，传感器的外壳随之振动，但由于惯性，传感器的芯杆、 线圈和阻尼环的整体并不随之振动，因此它们与壳体之间产生相对运动，此时在磁路气隙间的线圈就切割磁力线产生正比于振动速度的感应电动势，感应电动势与速度一一对应，正比于速度值. 试验中采用的触发方式是内触发，当传感器测到的振动速度超过设定的触发值时，与传感器相连的测振仪即开始采集数据.

传感器的安装是测试中非常重要的一个问题，目前传感器的安装主要有两种方法，一是设计相应的传感器钎杆、 基座等，将其嵌入地表，传感器固定在钎杆、 基座上； 另一种是直接将传感器置于地表，周围用相应的材料粘附[10]. 传感器的安装必须使传感器与被测点的表面牢固地结合在一起，否则在测量振动时会导致传感器松动或者滑落. 考虑到测试场地是沙土地，土质疏松，且大当量弹药爆炸产生的地震波振动幅值较大，采用上述的第二种方法很难固定传感器. 因此本文设计利用钎杆来固定传感器，实验时将钎杆夯实在沙土中，再将传感器通过底座上的螺丝与钎杆固定在一起，这样传感器就与地表紧密连接，可以随地表一起振动，试验表明此种方法是有效的.

2 温压炸药和TNT爆炸地震效应试验

依据测试方案进行了等体积温压炸药与TNT爆炸地震效应测试，获得了有效的数据，选取40 m和80 m处温压炸药和TNT典型爆炸地面振动速度曲线如图 3 和图 4 所示.

图 3 40 m处温压炸药和TNT爆炸地面振动速度波形图Fig.3 Ground vibration velocity wave of thermobaric explosive and TNT explosion in 40 m

图 4 80 m处温压炸药和TNT爆炸地面振动速度波形图Fig.4 Ground vibration velocity wave of thermobaric explosive and TNT explosion in 80 m

曲线上的最大振动脉冲是由瑞利波引起的，此时地面做不规则的强烈振动，之后地面振动的强度逐渐衰减，表现为自由阻尼振动，振动强度逐渐衰减到零. 根据各测点的主振动脉冲的最小值对应的时间，可得出温压炸药地震波的传播速度约为384.09 m/s，TNT地震波的传播速度约为383.04 m/s. 两者的传播速度略有不同，可能与两次测试时温度略有差别有关.

各个测点的峰值速度如表 1 所示.

表 1 温压炸药和TNT爆炸场地震波各测点的峰值速度

3 温压炸药远场地震效应衰减特征分析

3.1 爆炸地面振动速度随时间变化特征

从图 3，图 4 的速度曲线可以看到R波到达后，在地面产生的一个幅值较大，具有冲击特性的振动脉冲，图 3 中在主振动脉冲前没有明显振动波形，而图4的速度曲线在主振动脉冲前有清晰的幅值相对较大的振动波形. 这是因为地震波包含的横波(S波)、 纵波(P波)和瑞利波(R波)中，纵波波速最快，振幅小； 横波传播速度次于纵波，振幅较纵波大； 瑞利波速度最慢，但振幅最大. 在距离爆心40 m处，因距离较近，P波、 S波与R波还没有分离，在测到的波形图上无法区分P波、 S波与R波； 在距离爆心80 m 处，P波、 S波与R波分离，可以在波形图上分辨出来.

从速度曲线可以看出，速度曲线初始阶段变化非常剧烈，属于强迫振动阶段，之后强度逐渐衰减，表现为自由阻尼振动. 地震波向远处传播的过程中，除了幅值变小，振动的持续时间长度并没有减小，温压炸药的地震效应强度大于TNT，除此之外没有大的差别，他们的振动过程相似，衰减周期是一致的.

爆炸地震是一种短时非平稳随机过程，从图 3，图 4 中可以看出，爆炸场地震波的持续时间非常短暂，在爆炸源完全爆炸，地面振动速度幅值达到最大值后，将迅速衰减，且温压炸药爆炸地面振动幅值随时间衰减明显比TNT快.

3.2 爆炸地面振动速度随距离变化特征

图 5 等体积温压炸药和TNT爆炸地面振动峰值速度拟合对比图Fig.5 Ground vibration peak velocity fitting comparison of thermobaric explosive and TNT explosion

从测试结果可以看出，温压炸药和TNT爆炸地面振动速度随距离变大而变小，本文测试均在相同环境条件下进行，温压炸药和TNT是等体积装药，他们的弹药量Q均为常数，为了研究温压炸药和TNT爆炸地面振动速度随距离的衰减特征，依据测试数据建立了式(1)来进行拟合

式中：v为爆炸质点振动峰值速度/cm·s-1；R为爆心至测点的距离/m；v0为R=0时爆炸地面振动峰值速度/cm·s-1；α为衰减指数/m-1.

用最小二乘回归分析方法拟合，拟合时先将公式两边取对数，化成直线拟合. 得到拟合结果： 温压炸药v0=35.981 3，α=-0.028 2，logv和R的相关系数r=-0.984 4，TNT的v0=17.547 3，α=-0.021 3，logv和R的相关系数r=-0.983 5. 可得温压炸药和TNT爆炸地面振动峰值速度随距离衰减的函数关系为：

温压炸药

v=35.981 3e-0.028 2R.

TNT

v=17.547 3e-0.021 3R.

拟合的质点峰值速度曲线如图 5 所示. 根据拟合结果式(2)，式(3)和图 5 可以看出： 温压炸药和TNT爆炸地面振动峰值速度随距离变化衰减迅速，并且在近距离处衰减快，随着距离变远，衰减速度逐渐减缓. 温压炸药的衰减指数明显大于TNT的衰减指数，温压炸药爆炸地面振动峰值速度衰减远快于TNT，但随着距离的变化，两者之间的差异逐渐减小，在距离爆心80 m处，两者的衰减速度差异已经很不明显.

4 结 论

1) 本文组建的爆炸场地震波测试系统是有效的，现场测试成功获取了有效的温压炸药和TNT爆炸地面振动速度数据.

2) 温压炸药和TNT的爆炸场地震波在向远处传播的过程中，除了振动速度幅值变小，振动的持续时间长度并没有减小.

3) 等体积装药的温压炸药和TNT爆炸后，温压炸药的地震效应强度大于TNT，温压炸药爆炸地面振动速度幅值随时间衰减的速度比TNT快，但衰减周期是一致的.

4) 温压炸药和TNT爆炸地面振动峰值速度随距离衰减迅速，衰减速度随离爆心距离变远逐渐减缓，且温压炸药爆炸地面振动峰值速度衰减远快于TNT，但随着距离的变化，两者之间的差异逐渐减小，在距离爆心80m处，两者的衰减速度差异已经很不明显.

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Measurement and Analysis of Attenuation Characteristics of Seismic Effect Caused by Thermobaric Explosive Detonation

ZHANG Mengmei, KONG Deren, CHEN Weizheng, SHANG Fei

(College of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

The seismic effect caused by explosion of the big equivalent of ammunition can not be ignored. It is of great significance for ammunition power evaluation to establish a test system of ammunition explosion seismic wave and to accurately measure the seismic wave data. To study explosion seismic effect of thermobaric explosive, combined with the actual conditions of explosion field, the test system of seismic wave was set up, And the experiment was carried out and explosion seismic effect of thermobaric explosive was compared with TNT. The results of test and analysis indicate that: The intensity of seismic effect of thermobaric explosive is greater than that of an equal volume of TNT. And the attenuation of ground vibration velocity amplitude with time is faster than that of an equal volume of TNT .With the change of distance, ground vibration amplitude of thermobaric explosive explosion decay quickly, its attenuation speed is faster than TNT.

seismic effect of blast feild; TNT; thermobaric explosive; attenuation characteristics

1671-7449(2016)06-0534-05

2016-04-17

张梦妹(1992-)，女，硕士生，主要从事冲击波测试及其毁伤威力评估的研究.

O384

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2016.06.015