模拟声源的小尺度爆破模型研制

闫莎莎，王海亮，于 福，赵 琛，吕莎莎

（1.山东科技大学a.矿业工程国家级实验教学示范中心，b.安全与环境工程学院，山东青岛 266590；2.中国交通建设股份有限公司，北京 100088）

0 引言

炸药作为一种钻爆法的核心物品，在矿业巷道掘进［1］、公路隧道建设［2］、水利水电［3］等民用领域和国防建设中得到广泛的应用。炸药爆炸具有高强、瞬发的工况特征，伴随有空气气流的强扰动，产生具有脉冲声波特征的爆破噪声［4］。现有炸药爆炸工况及其产生噪声的传播规律和降噪消噪研究主要采用野外起爆炸药的试验方法，采集炸药爆炸噪声特征参数，获得炸药爆炸噪声声学特性，测试降噪消噪方法的有效性［5-7］。现场试验虽然能获得与现场工况相匹配的试验数据，但是存在炸药申领手续繁琐、试验场地选择困难、试验成本高、安全隐患大等缺点。任新见等［8］公开了一种爆炸冲击波在隧道中传播规律实验用组装式模型，但爆源是炸药，需要在室外开展实验，依然无法解决上述缺陷，且不利于除军事类高校外的普通高校实验教学的开展。目前普通高校对爆破相关实验以模型观摩或虚拟仿真实验为主，缺乏适用于实验实践的教学仪器和方法，学生对爆破知识的理解只能滞留在理论层面。

本文提出了适用于室内实验的模拟声源小尺度爆破模型，在最大程度模拟现场试验的基础上，克服了现场试验成本高、安全隐患大等缺陷，解决了炸药爆炸实验无法在室内模拟实现的技术难题，有助于满足“爆破工程”“井巷工程”等课程的实验教学需求，为爆破消噪的室内研究提供了操作性强、安全可行的方法。

1 模拟声源确定

1.1 炸药爆炸噪声声学特征

1.1.1 实验材料和方法

以青岛市某地铁施工段为实验现场，利用北京声望声电技术有限公司的VA-Lab 噪声数据采集器，采集10 g 2 号岩石乳化炸药隧道内爆炸噪声的声学数据，将其作为隧道爆破声源声学特征的依据。测试时炸药放置于直径16 mm、高1.5 m的钢筋焊接支架上，雷管聚能穴及药包轴向正对噪声数据采集器的传感器，传声器放置于距炸药50 m 的相同高度的支架上，与炸药处于同一轴向水平面。实验测试点布置示意图和测试现场见图1。炸药爆炸实验进行3 次，以尽可能减小外界环境对实验数据干扰带来的误差，每次实验炸药起爆位置及传声器位置不变［9-10］。

图1 现场测试点布置及测试现场

1.1.2 实验结果

2 号岩石乳化炸药爆炸瞬间噪声声波振动的时域曲线如图2 所示。炸药起爆瞬间炸药对外部空气做功，导致外部周围声压急剧增大，出现声压变化，随着声能向外扩散，至0.1 s 时测点附近声波出现振动幅值变化，在0.1～0.15 s时幅值变化最大，然后又迅速降低，至0.02 s后声波振动幅值迅速衰减。将图2 中声波振动幅值对应的声压数据进行声压级换算后再进行快速傅里叶变换，得到傅里叶变换曲线（FFT），即对应声压的频域曲线，如图3 所示。炸药爆炸噪声瞬时声压达到最大值时，对应脉冲声波的频率为1 kHz，随着噪声向外扩散，脉冲声波振动频率集中在1～20 kHz，呈迅速衰减趋势。

图2 炸药爆炸瞬间声波振动的时域曲线

图3 炸药爆炸瞬时声压的频域曲线

1.2 模拟声源噪声声学特征

赵跃英等［11］认为气球破裂作为声源具有不可重复性，电火花声信号可重复，白噪声具有稳态性，但电火花和白噪声均无法实现炸药爆破工况模拟。本文将激发时具有瞬发特征的发令枪、导爆管、鞭炮作为待定模拟声源，采集噪声声学数据。考虑到发令枪、导爆管和鞭炮的起爆能量小于2 号岩石乳化炸药，起爆点支架与传声器支架间距设置为50 cm，测试环境及其他仪器布置方式均与炸药爆炸测试实验相同。

对发令枪、导爆管、鞭炮3 种模拟声源各起爆3次，分别计算声压级，对模拟声源起爆时噪声声压级做快速傅里叶变换得到FFT。最大声压级lp和FFT 峰值如表1 所示。各模拟声源中导爆管起爆噪声的最大声压级和FFT峰值标准差较小，表示数据的离散程度较低，稳定性高，可知3 种模拟声源中导爆管的稳定性最高。各模拟声源激发瞬间对应的瞬时声压频域曲线如图4 所示。鞭炮起爆后噪声声压达到最大时对应的脉冲声波频率小于1 kHz，与炸药爆炸产生脉冲声波的频率变化特征明显不同。导爆管与发令枪起爆后达到最大噪声声压时对应脉冲声波频率1 kHz，频率衰减范围集中在1～20 kHz，两者脉冲声波频率变化特征与炸药爆炸噪声的声波频率变化特征相似。

表1 各模拟声源最大声压级及FFT峰值_______

图4 三种模拟声源瞬时声压频域曲线

1.3 模拟声源起爆工况贴合度分析

炸药爆炸产生的噪声是炸药包的外部问题，是爆炸后发生在药包周围介质中的能量传播过程。爆炸瞬间，一定体积内突然产生大量高压、炽热气体，以超声速迅速膨胀，形成冲击波，冲击波随距离能量衰减形成噪声［12-13］。

（1）发令枪。发令枪扳机撞击子弹后部，激发子弹中火药爆炸，瞬态噪声的产生和炸药爆炸相同。然而发令枪占用空间较大，不宜实现自动控制，无法模拟隧道延时爆破的工况特征。

（2）鞭炮。鞭炮的品种繁多，爆炸噪声的声学特征受装药配方、装药量、包覆纸壳材质及厚度、生产工艺等多种因素影响。即使是同一厂家的产品，其爆炸的声学指标也存在较大的差异性。

（3）导爆管。作为常见的民用爆炸物品，导爆管不具有爆炸危险性，在火焰和机械碰撞的作用下不能起爆，且其生产、验收受国家标准严格控制，操作简单、使用安全，长期储存仍能保持稳定的传爆性能。导爆管的爆炸过程是炸药爆轰的稳定传爆过程，具备炸药爆炸爆轰波传播的基本特征。在导爆管的末端由弱爆轰波衰减为弱冲击波，再由弱冲击波衰减为声波。

导爆管起爆噪声的声学特征和起爆工况与炸药爆炸噪声的形成过程完全一致，尤为重要的是导爆管的爆炸过程安全、稳定、可控，起爆形成的爆轰波和冲击波对人员、传声器等精密仪器、实验模具和实验设备无伤害，因此确定导爆管作为实验用模拟声源。

2 以导爆管为模拟声源的爆破分析

2.1 实验方法

导爆管起爆后存在一个达到稳定爆轰的过程，当导爆管起爆时已达到稳定爆轰过程时，起爆噪声必然是稳定性的，因此实验时导爆管长度不应小于达到稳定爆轰时的长度。一般认为导爆管的稳定爆轰长度约30 cm［14］，崔新男等［15］基于数字图像法对导爆管爆速进行了测试，吕莎莎等［16］采用高速摄像发研究导爆管传爆过程。崔新男采用折返式布置导爆管，导爆管拐弯出爆轰波波速不稳定，导致测试数据不连续。吕莎莎认为爆速达到稳定长度时导爆管的最短距离是40 cm左右，但受拍摄图像和分辨率的影响，爆轰长度的测量包括了导爆管爆轰波前沿波断面，存在一定误差。因此设计高帧数高速摄像实验，对导爆管稳定爆轰的精确长度进行探究，以保证起爆噪声的稳定性。

将高速摄像机帧数设置为280 kf／s，每两幅图间隔时间3.57 μs，分辨率512 ×384，取110 cm导爆管直线布置，按文献［16］中的方法进行固定和位移标定。对导爆管起爆3 次，利用PCC软件的快速测量功能得到爆轰波的位移及速度。

2.2 实验结果

高帧数高速摄像实验得到导爆管爆轰波波阵面传递过程如图5 所示。由图5 知，传爆初期爆轰波亮度较弱，然后明亮直至耀眼。这是因为导爆管内药粉发生化学反应时药粉的分布较分散，传爆时管腔内压力不太高，所以导爆管内药粉颗粒发生化学反应时并不是一个整体，粒子反应活化状态是从某个局部的表面开始的。随着反应的进行和加剧，中间产物不断迅速扩散，进而蔓延到全部表面和药粉粒子内层。爆炸产生的能量支撑着爆轰波前沿的波阵面急剧前进，急剧前进的爆轰波促使导爆管内壁上尚未发生反应的炸药颗粒活性增大开始反应。导爆管的稳定传爆就是上述过程的不断循环的过程［17］。

图5 110 cm导爆管传爆过程

将3 次实验的爆轰波位移和速度数据取平均值，导入Origin 软件作图，获得爆轰移动距离与爆速关系散点图（见图6）。从图6 可知，导爆管起爆后爆速急剧增大，而后达到稳定值，即DE段，此时稳定爆速在1.9 km／s 左右。从成长到稳定阶段过程位移为36.29 cm。

图6 110 cm导爆管爆轰波移动距离-速度关系及拟合曲线

图6 中因OA段骤降，而回升成长期有较为明显的曲线形态，故匿去此区间数据点，对回升成长期进行拟合，获得表征爆轰成长期爆速与爆轰波移动距离关系的拟合曲线。说明当越过导爆管爆轰成长期后，导爆管爆速越趋于稳定值，爆速与爆轰波移动距离相关性很低，从理论上进一步说明了高帧数摄像实验结果的可靠性。因此导爆管做模拟声源时的长度l≥36.29 cm，考虑实验成本和导爆管起爆后爆轰波稳定性要求，确定导爆管作为模拟声源时长度为36.29 cm≤l≤100 cm。

3 模拟声源的小尺度爆破模型

模拟声源的小尺度爆破模型用于模拟隧道或巷道爆破工况。爆破噪声在隧道或巷道中传递时，其声学特征也受模型大小、断面形状和内壁相对粗糙度的影响［18］。因此，应用几何相似和材料相似原理，以青岛市某地铁施工段实验现场为原型，确定模型隧道的几何相似比Cl＝50，模型的宽高比为5∶4，内壁绝对粗糙度20，断面形状为矩形。

模拟声源的小尺度爆破模型示意图如图7 所示，由5 个模型单元组成。模型单元由金属套筒、内衬体、检测孔、连接部、把手部和封堵挡板组成。内衬体沿模型轴线方向由4 块矩形水泥砂浆砌块拼接而成，采用结构胶填充拼接缝，如图7（c）所示。

图7 模型隧道测试装置示意图

为能够模拟测试材料或装置的降噪消噪效果，5个模型单元中间均可加装一个插接单元，以加装隔音装置或材料，如图8（a）所示。插接单元由插接金属套筒、插接内衬体、插接孔、测试单元、连接部和把手部组成。内衬体由水泥砂浆砌块拼接而成，如图8（b）所示。测试单元位于插接单元内部，如图8（c）所示。

图8 加装插接单元爆炸噪声测试装置示意图

封堵挡板在端头模型单元端部，由金属套盒、砂浆砌块、穿孔和铜管组成。封堵挡板分两种类型，一种是与模型隧道中轴线等高处设置一个穿孔，用于模拟单点起爆工况，如图7（a）及（b）中标号1 所示；另一种是在封堵挡板上设置多个穿孔，用于模拟多点起爆、不同装药量起爆和小间距起爆等爆破工况，如图9 所示。其中端头的模型单元端部挡板设置1～24 号穿孔，其中1～6 号穿孔模拟掏槽孔，7～10 号穿孔模拟辅助孔，11～24 号穿孔模拟周边孔。当发爆器采用微差发爆器时可模拟毫秒延时起爆工况。

图9 模型隧道测试装置多点起爆端部挡板示意图

4 应用效果

为确保导爆管作为模拟声源的小尺度爆破模型的应用效果，以单点起爆实验为例论述噪声声学特征测试。将50 cm长的导爆管一端头与发爆器连接，另一端头经铜管进入端部挡板内侧并与铜管的内侧端头齐平。将模型单元的编号根据与封堵挡板的距离，由近及远依次为1＃～5＃，分别将5 只直径10 mm的传声器穿过检测孔进入模型单元内部。检测孔与传声器之间设置密封圈。数据采集仪通过数据线连接传声器。传声器的信号接收端与挡板内侧导爆管末端高度齐平。起爆导爆管，由数据采集仪采集模型单元中传声器的噪声数据。由于2＃和3＃传声器的测得的噪声数据变化不明显，因此只将1＃、2＃、4＃和5＃的噪声数据作频域特征曲线，如图10 所示。从图中可以看出，应用该实验中导爆管激发后产生的噪声在隧道模型中传播时整体呈现逐渐衰减趋势，且声波频谱特征与炸药爆炸噪声声波的频谱特征始终一致，说明该实验装置和方法能够用于模拟隧道工程爆破、脉冲声波在隧道中的传播规律以及降噪方法的研究。

图10 单点起爆工况实验的噪声频域特征谱线

5 结语

本文从爆破工况贴合度和噪声声学特征的角度分析论证并探讨了将导爆管作为模拟声源的小尺度爆破模型研制，以单点起爆实验为例进行了应用效果检验。模拟声源与炸药爆炸噪声声学特征贴合度高、实验安全，适用于室内开展模拟炸药爆炸实验。确定导爆管作为模拟声源时的长度36.29～100 cm，达到了稳定爆轰，实现了爆破噪声测试中噪声声学特征数据的稳定性。模拟声源的小尺度爆破模型可用以单点起爆设计、多点起爆设计、延时起爆炮眼布置等实验教学项目，从原理上帮助学生对知识的理解，通过导爆管与发爆器连接、导爆管连线、导爆管数量设计、降噪消噪材料设计等实验过程，达到锻炼学生的操作能力、思考能力和设计创新能力的实验教学目标。