建筑物爆炸噪声被阻断与衰减效应研究

张冀峰，孙玉友，樊武龙，潘炎辉

（公安部物证鉴定中心，北京 100038）

爆炸现场勘验工作中，技术人员对爆炸毁伤效应关注的重点是爆炸直接作用痕迹、爆炸冲击波和爆炸地震波，并依据爆炸毁伤特征中可量化参数对爆炸现场进行研判和重建分析。然而爆炸噪声也是炸药爆炸毁伤效应主要特征之一，是爆炸现场勘验工作中容易被忽视的一个可以特征量化的指标[1]。在一些疑难爆炸案（事）件中，爆炸导致建筑物坍塌且爆炸现场周围缺乏可有效测量爆炸冲击波毁伤范围的特征目标，容易导致爆炸直接作用痕迹和爆炸冲击波毁伤范围等难以勘验、判定和量化，致使该爆炸的炸药量难以推断和现场无法重建。然而，在爆炸现场中，不同强度爆炸噪声会对人体产生不同程度的听力损伤。而距爆炸点不同距离人员的损伤特征和对爆炸声响反应特征，都可依据爆炸噪声对人体损伤的相关标准和技术依据[2]，结合爆炸噪声的阻断与衰减规律对爆炸噪声声压级进行推断。进而依据爆炸噪声声压公式[3]对炸药爆炸当量进行估算，为现场重建提供技术依据。

当前，在刑事科学技术领域对爆炸噪声的传播规律、衰减效应等方面的研究相对较少，缺乏一些必要的基础数据和技术方法。因此，本文通过模拟建筑物内部爆炸，采用爆炸试验的方式对爆炸噪声在多层墙体阻断条件下的传播规律和衰减效应进行研究和探讨，为爆炸案件现场勘验工作中对爆炸噪声的合理判定和应用提供技术方法和依据。

1 材料与方法

1.1 实验方案

采用浅坑道爆炸方式来模拟建筑物内部爆炸，其内部空间相对封闭，浅坑道对爆炸噪声的衰减影响较小；在坑道口利用沙袋堆积封堵来模拟阻断墙体，采用了单层和多层封堵的方法（图1）。测试点选择在坑道口东南方向约400 m处，中间为开阔区域。

图1 几种封堵形式示意图Fig.1 Several blocking forms

根据国际上对爆炸能量评定通常以TNT爆炸当量为标准，因此爆炸实验药剂选用TNT炸药，采用集团装药方式起爆，装药量分别为5、20、40、80、120 kg。

1.2 实验仪器

本次测声采用的仪器为丹麦B&K公司产2209型脉冲精密声级计，符合IEC/179(A)(1973)标准，属1型声级计，配置4115型1寸微声器，测量范围为15～140 dB，频率范围2 Hz至18 kHz，该仪器既可测量稳态噪声，也可测量短周期的脉冲噪声，它专供实验室以及声音环境有严格规定或控制的场合下使用，其结构原理如图2所示。

2 结果及分析

2.1 噪声测试数据分析

噪声测试地点距爆点400 m。脉冲噪声的性质比较特殊，是在大气自由场中，由于爆炸、轰声或紊流等突然改压而引起的冲击脉冲，它有明显的激波成分[4-5]。

从未经封堵和阻断的爆炸产生的噪声与冲击波超压对比图（图3）中可见：图中红色曲线为冲击波压力波形，黑色的是高强度噪声波形，二者变化的趋势基本一样，且噪声有明显的冲击波成分。在实验中，主要采用沙袋封堵模拟墙体来对爆炸噪声进行阻断和衰减效应研究。图4为80 kg TNT经三层封堵后所测到的噪声波形，从图中可见噪声波形属于明显的阻尼振动，属于撞击噪声，是炸药对堆埋物及洞口封堵物撞击的结果，频率很低。图5是其相应的幅值谱图，由图可以看出它的主频率只有十几到几十周，可见封堵措施阻断了高频成分，声压为2.5914 Pa（RMS）并可计算得到计权网络的特性图（图6），该图可见A计权时这个频段（指线性或C声级）的响应是比较迟钝的。图7是对线性声级进行的A计权1/3倍频程的数据处理后所得的直方图，总声压为0.2254 Pa（RMS），对应的声压级为81 dBA。

图2 噪声测试结构原理图Fig.2 Working principle to test blast noise

图3 冲击波及高强度噪声对比图Fig.3 Blasting wave and the collated high-intensity noise

图4 实测80kg TNT装药爆炸时的噪声波形Fig.4 Explosive-noise wave from 80kg detonated TNT

图5 80 kg TNT装药爆炸时噪声波形的幅值谱图Fig.5 Wave breadth of explosive-noise from 80kg detonated TNT

图6 计权网络特性图Fig.6 Speciality of weighted network

图7 80 kg TNT装药爆炸时噪声波形的A计权1/3倍频程直方图Fig.7 The 1/3 representative of A-weighted wave from the explosive-noise of detonated 80kg TNT

通过实验测试和数据处理，可得噪声测试数据表1。

表1 噪声测试数据表Table 1 Data of explosive-noise

2.2 数据分析

根据美国弹道研究实验室和美国矿山局等单位的实验数据（见参考文献[ 6]），可得出大气中爆炸的爆炸波超压峰值计算公式：

式中：P为超压峰值；R为距爆炸中心的距离；W为爆炸药的TNT当量；K=82；β=1.2。又可知：爆炸声超压与TNT当量的关系：

爆炸声的声压级：

式中：lx为爆炸声压级；px为实际超压；p0为20μpa。综合由式（1）、（2）、（3）可推出 ：

式中：Δlx为第x次爆炸源与标准爆炸源爆炸声压级差；px为爆炸实际超压；p标为设定的标准超压。由式（4），可推出：

式中：β=1.2 。

因此，可设5 kg无封堵TNT爆炸平均爆炸声压级为标准声压级。可对表1中的5 kg TNT当量炸药爆炸（无封口）实际测试声压级做算术平均处理，计算后的平均声压级为90，标准偏差为2.1。计算可得不同TNT当量的炸药在无封堵、同一距离、同一起爆条件下的爆炸声压极差，理论计算值设5 kg为标准爆炸源，结果见表2。根据表2数据，可设α为阻断系数，α=Kn，其中：n为阻断层数，K 为常数。通过线形回归处理，可得出K为0.04。阻断系数α=0.04n，n为阻断层数。因此，可得出：

式中：l为无堵断爆炸噪声声压级；ld为阻断后的爆炸噪声声压级；α为阻断系数，α=0.04n，n为阻断层数。

表2 爆炸声压级差Table 2 Grading difference of explosive-noise pressure

3 案例分析

某年10月2日下午17时，我国北方某地发生一起利用氯酸钾自制爆炸装置实施的爆炸案件，爆炸发生在一6层楼房建筑物402室中南侧卧室内部，该卧室3面墙体和上下楼板均有不同程度损害和穿洞，无法开展内部爆炸毁伤痕迹勘查。根据案件研判和爆炸现场重建的工作需要，需对发生爆炸的炸药当量进行推断。

经过伤情鉴定和调查访问，在爆炸瞬间，在该402室门口外楼梯间内人员在爆炸噪声作用下均有听力损伤的现象，但影响不多，很快便恢复功能，根据噪声对人体影响的伤害标准，为轻度听力损伤。轻度听力损伤声压级最低限为26 dB。根据现场勘查从炸点到楼梯间都有3层墙体或门体，距离最近听力损伤人员距离约为9 m。首先依据公式6，选取ld=26 dB和n=3，通过计算得出无堵断爆炸噪声声压级为217 dB；再根据公式3可计算出爆炸实际超压px为1.42 MPa；最后通过自由场爆炸超压计算公式，可计算出在11 m距离产生1.42 MPa的炸药爆炸当量为4.2 kg。并依据氯酸钾炸药TNT当量为0.6，可折算氯酸钾炸药量约为7 kg。因此，可判定该爆炸案件中发生爆炸的氯酸钾炸药量约为7 kg。

4 结论

本文通过实验研究发现：1）建筑物内部爆炸产生的爆炸噪声在多层墙体阻断和封堵条件下，明显降低了爆破噪声强度，尤其对削弱爆破噪声中的冲击波有重要的影响。2）实验验证和数据分析，可得出无堵断爆炸噪声声压级计算公式：l=ld/α ；l为无堵断爆炸噪声声压级；ld为阻断后的爆炸噪声声压级；阻断系数α=0.04n；n为阻断层数。3）爆炸现场炸药量合理推断是爆炸现场重建重要内容之一，爆炸噪声声压级的判定可依据现场受伤人员的听力损伤程度进行判定，并依据建筑物内部结构和人员位置进行合理推断。因此，通过对建筑物内部爆炸现场中爆炸噪声的阻断和衰减效应的研究，可为疑难爆炸现场炸药爆炸当量推断提供一种有效的技术手段和技术依据。但该方法属于初步范围推断，受个体和环境因素影响较大，在爆炸案件应用中应与其它炸药量推断方法进行印证和相互矫正。