防爆装备对TNT炸药爆炸强噪声的防护性能

刘瀚， 赵耀， 郭志威， 冯顺山， 黄广炎，2

(1.北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室， 北京 100081； 2.北京理工大学 重庆创新中心， 重庆 401120)

0 引言

根据全球恐怖主义研究数据库(GTD)最新数据，自1970年以来，全球已出现约20.12万起恐怖袭击事件，其中爆炸恐怖袭击约占47.7%，已造成至少68 085人死亡和147 570人受伤。爆炸产生的多物理场载荷中除冲击波、杀伤破片、热辐射等主导危害因素外，还伴随有剧烈的爆炸强噪声(HLEN)，对人员听力器官造成鼓膜穿孔、感音性耳聋和耳鸣等原发性噪声创伤和迷路震荡、耳源性外周前庭眩晕等继发性噪声创伤。有数据表明，HLEN损伤10～15年后，耳聋和耳鸣可呈逐渐加重趋势。伊拉克战争中，爆炸导致听力损伤占所有损伤的25%，是最为广泛的损伤类型。2014年退伍军人中，爆炸引发的听觉障碍是最常见的残疾补偿内容，补偿费用超过22亿美元，从阿富汗部署的皇家海军陆战队分析报告发现，有2/3的军人遭受了严重或永久性听力损伤。另有不符合补偿标准的上百万退伍军人同样患有听力障碍性疾病。

为快速处置公共安全领域中突发的恐怖爆炸物威胁，一般采用防爆罐对其爆炸所产生的冲击波和破片载荷进行防护，同时对爆炸噪声声源及其初始传播过程进行干涉和抑制，进而削减噪声声压/声压级。防爆罐一般分为两种：一种是由特种纤维等复合材料制备而成的柔性防爆罐(FEP)，一种是钢材料制成的钢制防爆罐(SEP)。由于HLEN不会造成人体致命性损伤，在对爆炸载荷及其防护进行研究时很少考虑到噪声危害因素。此外，爆破施工引发的强噪声也可对周围人居环境造成噪声污染。《中华人民共和国噪声污染防治法》提出了对噪声污染进行防治、保护公众健康和生活环境的举措和机制。因此，明确HLEN的传播规律对其污染防治十分必要。

长期以来，研究者们针对强噪声危害主要围绕武器射击过程中冲击噪声机理、工程爆破噪声控制以及人体听器损伤机制相关方面展开。在噪声损伤评价标准方面，国外标准以听力的暂时性阈移(TTS)作为判断安全与否的指标。国家军用标准GJB 2A—1996以48 h近乎于TTS和永久性阈移(PTS)之间的听力变化作为划分受伤与否的界限，给出了武器脉冲噪声对人耳31°～90°入射的安全阈值。Karl提出轻武器脉冲噪声频谱主要集中在 1.0～1.5 kHz范围，峰值声压为1.5 kPa左右，声压级为158 dB；大口径武器噪声频谱低于400 Hz，峰值声压处在16～100 Hz，峰值压力通常大于40 kPa，声压级为186 dB。在噪声研究方法方面，Kegan基于Fluent软件，通过人耳几何模型，建立了10 kPa三角波模拟爆炸冲击波加载的流- 固耦合计算模型，研究了人耳的传声机理。纪冲等通过爆破噪声强度特性试验研究，发现爆炸噪声危害主要由7～59 Hz的低频部分引起。施汇斌等针对士兵自身武器噪声损害问题，基于Abaqus的耦合欧拉- 拉格朗日(CEL)方法建立了听力保护装置评估有限元模型。赵欣怡等采用计算流体力学与计算气动声学耦合算法，结合Type46 DD1/8 in声学传感器对膛口噪声场进行研究，发现大口径轻武器射击时膛口侧方2 m处及射手耳部位置超压峰值均大于6.9 kPa。此外，围绕火箭发射噪声实验测试信号处理、复杂膛口冲击波噪声传播演化机理数值模拟等方面开展的研究工作居多。鲜有针对典型炸药HLEN声压/声压级特征及防爆装备对HLEN防护性能的相关研究。

本文基于爆炸多物理场载荷下的防爆装备评测方法，对不同药量TNT HLEN峰值声压/声压级的变化特征及噪声传播机理展开研究，对比两种典型防爆装备对HLEN的防护性能。相关研究方法和成果对爆炸多物理场载荷作用下强噪声附带毁伤特性研究及防爆装备防护性能评价指标体系的革新具有一定的工程实践和参考价值，可为人耳听器非致命损伤机制及其防护研究等方面提供参考。

1 HLEN感知与传播机理

1.1 人耳对HLEN的感知机理与损伤判据

炸药爆炸时产生高压高密度爆轰气体，迅速膨胀并压缩周围空气，使其波阵面上空气介质的状态参数发生强间断，从而形成冲击波。由于冲击波传播速度大于未扰动介质声速，经过一定距离，冲击波迅速脱离向前传播并不断做功，导致部分能量转变为波阵面后空气介质的热能。非线性大振幅冲击波便衰减为小振幅的声波，此时其传播速度趋于正常声速。相对于冲击波，声波扰动前后介质的状态参数变化量较小，且只发生能量传递，而不发生质量的传递。因此，声波是冲击波后弱扰动衰减形成的以声速传播的压缩波。研究结果表明，爆炸噪声属于可听声波(20 Hz～20 kHz)和次声波(低于20 Hz)的耦合声波。

声波在空气中传播振动后首先由耳廓收集，进入外耳道通路直至鼓膜处引发膜片振动，使中耳部位的锤骨、砧骨和镫骨所构成的听骨链产生耦合振动传导。经中耳部位听骨链增益后的声波继续在内耳耳蜗淋巴液中传播，实现了由外耳气体声波→中耳机械能→内耳液体行波的能量传递和转换。内耳耳蜗基底膜上的Corti听器在受到声波传播振动后发生毛细胞运动、产生电生理行为，释放的压电信号经听觉神经传到大脑皮层的中央听区，最终由大脑对HLEN的类型、大小和对听觉器官的刺激程度进行主观感知。整个感知过程为：外耳部位空气振动形成空腔效应，中耳部位骨传导完成传声变压，内耳部位波- 液能量转换实现噪声感应，大脑皮层形成神经刺激和感知分析。该过程受爆炸当量、气象条件、介质密度、传播距离和方向、听器内部构造以及感知灵敏度等因素影响。因此，人耳对HLEN传递和感知过程是一个声- 振高度耦合的非线性响应过程。人耳听器系统如图1所示。

图1 人耳听器系统[4]Fig.1 Human auditory system[4]

关于人耳损伤，国家军用标准GJB 7329—2011给出了鼓膜破裂的冲击波超压判据为0.03～0.04 MPa，听器及其他器官严重损伤的超压判据为0.04～0.06 MPa。当冲击波传播到一定距离、低于0.03 MPa时是否还会对人耳听器造成损伤，则需要从HLEN的角度进行研究。人耳可听噪声频率范围一般在20 Hz～20 kHz，声压级范围在0～140 dBA，声压级过低不在人耳听阈范围内，过高则可能引发听器痛觉甚至爆震性创伤。当频率在20 Hz以下的次声波范围时，极大的穿透力以及与人体器官节律的相似性，可诱发器官神经组织共振，导致神经错乱、器官变形移位甚至破裂。当频率在20 kHz以上的超声波范围时，强大的空气压力可使人产生视觉模糊、恶心等生理反应。研究表明，HLEN引起听器损伤主要发生在人体中耳部位，当声压级超过130 dBA时即可造成鼓膜破裂。美国国防部噪音限制设计标准给出声压级超过115 dBA将会达到人耳痛阈，损害人员听力或导致TTS。人员佩戴任何听力保护装置下都不能暴露在超过145 dBA时的噪声场中，当处在超过145 dBA的噪音环境时，不仅会对人耳听器造成不可逆损伤，还可能导致定向障碍、恶心和疲劳，甚至死亡。根据上述损伤阈值，从HLEN主导损伤角度，将人耳听器损伤划分为4个等级，如表1所示。

表1 人耳听器HLEN损伤判据及等级划分Table 1 HLEN criteria and classification of human ear injuries

1.2 HLEN传播机理

1.2.1 HLEN在空气自由场中的传播

在同一自由场环境中，假设HLEN是由入射声压为的点声源发出，传播最远距离为。设距离爆心和处的声压为和，如图2所示。

图2 自由场中的HLEN微元Fig.2 The HLEN microelement in free air

通过两点声压梯度积分的方法求出爆炸噪声声波扰动空气时的质点速度，由(1)式表示：

(1)

式中：为HLEN声波质点速度；为空气介质密度。由于爆炸噪声频率主要呈现低频状态，在HLEN传播的方向上，可采用距离较小的传声器测得的声压来近似声压梯度差，即用差分代替微分：

(2)

将(2)式代入(1)式，可得质点速度：

(3)

此时，爆炸声波入射声压垂直作用于单位面积上的声强，可表示为

=

(4)

(5)

式中：为爆距处的球形空间自由场表面积；为空气介质的声阻抗，当空气温度为0～25 ℃时，一般为4012～4386 kg/(m·s)。

人耳听觉系统对噪声响度的感知与声压的对数尺度呈正比，同时1 kHz时人耳可听的最小声压为20 μPa，对应声压级为0 dBA。因此需要通过对数方式给定声压级，表示如下：

(6)

式中：为基准声压，=20 μPa；=400 kg/(m·s)。则(6)式为

(7)

122 HLEN在半密闭防爆结构中的传播

假设防爆罐可看成一个单腔共振的圆柱形刚性体结构，即由一个可向口部泄爆的刚性空腔组成。罐体内部到口部的空气柱类似于带有一定阻尼的弹簧。该空气柱具有一定的声质量和声容。其中声容是空腔容积与单位空气介质的声阻抗的比值。当TNT炸药在防爆罐内发生爆炸时，声波由内向外传播至口部处，从而产生摩擦声阻，整个过程可等效为一个声质量- 声容弹簧- 摩擦阻尼的单腔声学振动系统，其示意图如图3所示，其中：为防爆罐直径，为防爆罐高度。

图3 HLEN在半密闭结构中传播示意图Fig.3 Schematic diagram of HLEN propagation in a semi-closed structure

设防爆罐的空腔体积为，柱体空气速度为，同时假设在一定瞬时范围内，爆炸入射噪声声波为一个简谐性机械波，则该单腔振动系统的运动微分方程如下：

(8)

式中：j为虚数单位；为强噪声声源简谐振动的圆频率。

(9)

(10)

令方程的解为=·ej，可得出爆炸噪声声波质点速度如下：

(11)

将(9)式、(10)式代入(11)式，可得

(12)

2 试验方法

2.1 试验样品及工况

为对比研究防爆当量均为1 500 g TNT的FEP和SEP对不同药量TNT HLEN的防护性能，明确二者相对于FAB时对HLEN抑制能力以及一定距离范围内的声压声压级衰减规律，选取精密压装成型的750 g、1 500 g和2 250 g 3种药量的TNT装药，对应直径为80 mm、100 mm、120 mm，长径比依次为1175、1200、1042，装药密度均为159 g/cm。不同防爆条件时的静爆试验工况如表2所示。

表2 HLEN试验工况Table 2 Conditions of the HLEN tests

2.2 试验设备及方案

试验采用美国PCB公司378A12型自由场电容式噪声传感器，最大量程为194 dB，灵敏度035 mV/Pa，频率响应范围5～20 kHz，误差±02 dB。其优点是灵敏度高、频率响应宽，受环境温湿度及气压条件的影响较小，如图4所示。采用专业的M003EB020AC低噪声线缆，将传感器与PCB公司482C05型信号调理模块进行连接，再通过信号采集仪进行采集和处理，采集系统频率为1 MS/s。每发试验前还需采用PCB公司Larson Davis CAL200型声学校准仪，选取94 dBA(=1 Pa，=20 μPa)和 114 dBA(=10 Pa，=20 μPa)两个声压级对传感器进行标定，以消除上一发爆炸振动及环境带来的测试误差。

图4 自由场电容式噪声传感器Fig.4 Free air condenser noise sensor

按照中华人民共和国公共安全行业标准GA871—2010防爆罐性能评估测试标准，爆炸源布放高度不超过装备内部高度的13，故装药底部端面距离地面高度200 mm。噪声传感器固定部位经缓冲橡胶包裹后，通过工装件与传感器支架进行固定安装，以防止爆炸引起传感器晃动，继而对采集信号造成干扰。国家标准GB/T 3768—2017规定自由场噪声传感器指向应使其基准方向与测量面垂直，即传感器的极头朝向爆心，确保其内部金属振膜(弹性膜片)表面垂直于平面入射声波的传播方向。振膜在爆炸声波的机械作用下可产生一定频率的振动和较小幅度的位移，从而引发电容量的变化以及交变电压信号的产生，模拟人耳听器中的鼓膜振动引发的电生理响应行为。此外，传感器距离水平地面高度1 500 mm，近似模拟人耳听器距离地面的高度。两支传感器及其支架布放时避免与爆心点处在同一垂直面上，同时拉大两支传感器之间的距离，以消除前传感器及支架造成的声波干扰对后传感器的信号采集产生的影响。除一发750 g TNT药量FEP防爆时两支传感器与爆心的距离分别为10 m和20 m外，其余防爆状态时的传感器与爆心距离分别为20 m和40 m。3种防爆状态时的HLEN试验方案示意图如图5所示，单位为mm。

图5 不同防爆状态时的HLEN试验布局Fig.5 HLEN test layout under different explosive-proof conditions

3 试验结果

人耳听器对低频噪声感知能力较弱，为使HLEN数据结果能够反映人体真实感受，在进行声学数据结果分析时首先要对频率进行计权处理，通过A计权可弥补对低频声音感知的缺失。另外通过F时间计权快速显示出爆炸噪声，用以对测量信号进行时间平均。

为更好地对HLEN声压频域进行研究，同时减少频谱泄露带来的误差，通过采集系统中的汉宁窗截取函数形式对HLEN信号进行截断并加权处理，即原始截断后的信号与汉宁窗函数相乘后得到一个周期信号，再对周期性爆炸噪声信号进行快速傅里叶变换(FFT)，从而满足一定时间域内噪声信号处理的周期性要求。

3.1 声压对比

HLEN声压反映HLEN声波扰动空气所产生的压强，可直接反映出爆炸声波的强弱。

311 FAB时的HLEN声压

图6所示为FAB时750 g、1 500 g、2 250 g 3种不同药量TNT HLEN声压曲线。其中，噪声电信号通过起爆时同步输入5 V电压进行零时刻触发，触发时刻记为。图7所示为起爆后约4 s内对应的声压瀑布(暖色雨流模式)，频率范围为0～390 kHz。

图6 FAB时不同TNT药量的HLEN声压曲线Fig.6 HLEN psp curves of different TNT mass with FAB

图7 FAB时不同TNT药量的HLEN声压瀑布Fig.7 HLEN psp waterfalls of different amount of TNT with FAB

由图6可以看出：FAB时750 g TNT爆炸噪声传播至20 m和40 m两个典型距离处的声压峰值分别为11 879035 Pa和6 420185 Pa，噪声传播到两个距离处分别历时0049 s和0106 s；1 500 g TNT时两个距离处的声压峰值分别为16 300767 Pa和8 547086 Pa，此时传播历时分别为0047 s和0104 s；药量为2 250 g时，声压峰值分别为17 438902 Pa和8 885186 Pa，对应传播历时分别为0046 s和0103 s。由此可见，声压峰值持续时间极短。同距离处，声压峰值随着药量的增加而逐渐增大。

从图7声压瀑布来看，FAB时低频率段的噪声声压明显高于较高频率段的噪声声压，可以判定该噪声均属于典型的低频率高声压特征。随着频率增大，中间零星夹杂不同频率的较低声压。

312 FEP防爆时的HLEN声压

图8所示为FEP对3种药量TNT进行防爆时的HLEN声压曲线。图9所示为对应起爆后约4 s时刻的噪声声压瀑布。

图8 FEP时不同TNT药量的HLEN声压曲线Fig.8 HLEN pspcurves of different amount of TNT with FEP

由图8可以看出：FEP时750 g TNT爆炸噪声传播至10 m和20 m两个典型距离处的峰值声压分别为791295 Pa和776492 Pa，噪声传播到10 m和20 m处分别历时0052 s和0081 s；1 500 g TNT时爆炸噪声传播至20 m和40 m处的峰值声压分别为7 064679 Pa和3 388697 Pa，对应传播历时分别为0052 s和0109 s；2 250 g TNT时峰值声压分别为7 927289 Pa和4 26232 Pa，对应传播历时分别为0053 s和0111 s。由此可见，FEP防爆后的峰值声压持续时间仍然较短；同距离处，峰值声压随TNT药量的增加而增大。

从图9中声压瀑布来看，FEP防爆后的低频率段噪声声压仍高于较高频率段噪声声压，属于低频率高声压特征。随着频率增大，中间同样夹杂不同频率的较低声压。

图9 FEP时不同TNT药量HLEN声压瀑布Fig.9 HLEN psp waterfalls of different amount of TNT with FEP

313 SEP防爆时的HLEN声压

SEP对750 g、1 500 g TNT防爆时的HLEN声压曲线如图10所示。图11所示为对应声压瀑布。

由图10可见：SEP防爆时，750 g TNT爆炸噪声传播至20 m和40 m处的峰值声压分别为830324 Pa和792347 Pa，噪声传播历时分别为0076 s和0133 s；1 500 g TNT时的峰值声压分别为12 291922 Pa和6 424233 Pa，对应传播历时分别为0051 s和0108 s。经SEP防爆后的声压持续时间仍较短；同距离处，峰值声压仍随TNT药量的增加而增大。从图11来看，SEP低频率段噪声声压仍高于较高频率段噪声声压，同样为低频高声压特征，且随频率增大，中间同样夹杂不同频率的较低声压。

图10 SEP时不同TNT药量的HLEN声压曲线Fig.10 HLEN psp curves of different amount of TNT with SEP

图11 SEP时不同TNT药量HLEN声压瀑布Fig.11 HLEN psp waterfalls of different amount of TNT with SEP

314 不同防爆条件下峰值声压结果对比

由311节～313节声压试验数据结果，不同防爆条件下各TNT药量的峰值声压及到达时间如表3所示。

由表3可以看出：FAB不同药量时，噪声从20 m传播至40 m过程中峰值声压衰减46～491；FEP药量为750 g TNT时，从10 m传播至20 m时峰值声压衰减19；FEP药量为1 500 g和2 250 g TNT时，从20 m传播至40 m过程中峰值声压衰减462～52；SEP药量为750 g TNT时，从20 m传播至40 m时峰值声压衰减46，SEP药量为1 500 g TNT时，从20 m传播至40 m过程中峰值声压衰减477；不同防爆条件下的HLEN峰值声压从20 m传播到40 m的时间相等，Δ=Δ=Δ=0057 s，其中，FEP对750 g TNT防爆时，HLEN从10 m传播至20 m历时为0029 s，约为其他药量下HLEN从20 m传播到40 m历时的一半。

表3 HLEN峰值声压及到达时间情况Table 3 HLEN peak psp and its elapsed time

3.2 声压级对比

对于人耳听器而言，HLEN声压级直接反映人耳接收到的爆炸噪声强弱。

321 FAB时的爆炸噪声声压级

图12所示为FAB时3种药量TNT HLEN声压级曲线，对应声压级瀑布(雨流模式)如图13所示。

由图12可以看出，FAB时750 g TNT爆炸噪声在20 m和40 m处的峰值声压级分别为138785 dBA和131712 dBA；1 500 g时峰值声压级分别为141708 dBA和13406 dBA；2 250 g时峰值声压级分别为14269 dBA和134614 dBA。在同一距离处，峰值声压随着药量的增加而小幅度增大。从图13声压级瀑布来看，FAB时呈现明显的低频高声压级特征。

图12 FAB时不同TNT药量的HLEN声压级曲线Fig.12 HLEN pspl curves of different amount of TNT with FAB

图13 FAB时不同TNT药量HLEN声压级瀑布Fig.13 HLEN pspl waterfalls of different amount of TNT with FAB

322 FEP时不同TNT药量声压级

FEP防爆时的声压级曲线如图14所示，对应声压级瀑布如图15所示。

由图14可以看出，FEP对750 g TNT防爆时，10 m和20 m处的峰值声压级分别为130.466 dBA和126.194 dBA；1 500 g TNT时，距离爆心20 m和40 m处的峰值声压级分别为132.795 dBA和126.751 dBA；2 250 g TNT时，距离爆心20 m和40 m处的峰值声压级分别为134.491 dBA和128.161 dBA，即同一距离处的峰值声压级随着药量的增加而增大。从图15声压级瀑布来看，FEP防爆时仍呈现明显的低频高声压级特征。

图14 FEP时不同TNT药量的HLEN声压级曲线Fig.14 HLEN pspl curves of different amount of TNT with FEP

图15 FEP时不同TNT药量HLEN声压级瀑布Fig.15 HLEN pspl waterfalls of different amount of TNT with FEP

3.2.3 SEP时不同TNT药量声压级

SEP防爆时的声压级曲线如图16所示，对应声压级瀑布如图17所示。

由图16看出，SEP对750 g TNT防爆时，20 m和40 m两处声压级峰值分别为129.235 dBA和127.486 dBA；1 500 g TNT时，声压级峰值分别为139.084 dBA和132.218 dBA。同一距离处，声压级峰值随药量的增加而增大。从图17可见，SEP防爆时仍呈现明显的低频高声压级特征。

图16 SEP时不同TNT药量的HLEN声压级曲线Fig.16 HLEN pspl curves of different amount of TNT with SEP

图17 SEP时不同TNT药量HLEN声压级瀑布Fig.17 The HLEN pspl waterfalls of different TNT mass of SEP

3.2.4 不同防爆时的峰值声压级结果对比

由3.2.1节～3.2.3节试验数据结果，不同防爆条件下各TNT药量的峰值声压级及到达时间情况如表4所示。

由表4可以看出：FAB不同药量时，HLEN从20 m传播至40 m过程中峰值声压级衰减5.1%～5.7%；FEP不同药量时，750 g TNT从10 m传播至20 m时峰值声压级衰减3.3%；1 500 g和2 250 g TNT从20 m传播至40 m过程中峰值声压级衰减4.6%～4.7%；SEP不同药量时，750 g TNT从20 m传播至40 m时峰值声压级衰减1.4%，1 500 g TNT对应衰减4.9%。此外，HLEN峰值声压级时间与声压时间规律完全一致。

表4 HLEN峰值声压级及到达时间情况Table 4 HLEN peak pspl and its elapsed time

4 分析和讨论

4.1 峰值声压/声压级到达时间对比

提取各防爆条件下的HLEN到达固定距离处所经历的时间，分析相对于FAB状态时FEP和SEP两种典型防爆装备对HLEN声波传播规律。图18所示为3种防爆时的HLEN到达典型距离处经历时间与不同TNT药量之间的变化关系曲线。

由图18可以发现：FAB时的HLEN到达典型距离处的时间随着TNT药量的增加而逐渐提前，即药量越大，HLEN到达固定距离的时间越快；在20～40 m距离范围内，传播历时Δ为0.057 s；当FEP防爆时，HLEN到达同一距离处所经历的时间整体晚于FAB时的时间，即该噪声在FEP内受到干涉抑制，当噪声从FEP“逃逸”后，10～20 m范围内传播历时为0.029 s，20～40 m范围内传播历时Δ也为0.057 s，即前10 m大致是后20 m历时的一半；当SEP防爆时，HLEN到达同距离处所经历的时间同样整体晚于FAB时的时间，即SEP同样对该噪声构成一定的阻滞作用，但在20～40 m距离范围内传播历时Δ同为0.057 s。因此，FEP和SEP均可对噪声传播起到延迟效应，受干扰后HLEN在20～40 m内的传播历时完全一致，可推算出该距离内噪声传播速度为350.88 m/s。

图18 不同防爆条件下强噪声峰值声压/声压级到达时间随TNT药量变化曲线Fig.18 Elapsed time of peak psp/pspl versus TNT mass under different explosion-proof conditions

4.2 峰值声压/声压级抑制效应对比

通过上述研究，得出不同防爆条件下不同药量TNT爆炸时所对应的峰值声压和峰值声压级，进一步分析FEP和SEP两种防爆条件相对于FAB时对HLEN声压/声压级的抑制效应。图19所示为3种防爆条件下的HLEN峰值声压和峰值声压级与不同TNT药量之间的变化关系。

由图19可以看出，不同防爆条件对应的HLEN声压/声压级峰值均随TNT药量的增加呈现升高趋势：

FAB时，TNT药量从750 g、1 500 g到2 250 g，20 m处声压峰值处于11 879～17 438.9 Pa，声压级峰值高达138.8～142.7 dBA，40 m处的声压峰值处在6 420.2～8 885.2 Pa，声压级峰值降为131.7～134.6 dBA；20～40 m，声压峰值衰减约46%～49.1%，声压级峰值衰减5.1%～5.7%。

FEP时，TNT药量为750 g、10 m处声压峰值仅为791.3 Pa，20 m处为776.5 Pa；当药量为1 500 g、2 250 g时，20 m处声压峰值保持在7 064.7～7 927.3 Pa，声压级峰值处于132.8～134.5 dBA，40 m处声压峰值保持在3 388.7～4 262.3 Pa，声压级峰值处于126.8～128.2 dBA。声压峰值衰减约46.2%～52%，声压级峰值衰减4.6%～4.7%；相对于FAB时，20 m处的声压峰值削弱了54.5%～93.5%，声压级峰值削弱了5.8%～9.1%；40 m处声压峰值削减了52%～60.4%，声压级峰值削弱了4.8%～5.5%。

SEP时，TNT药量为750 g，20 m处的峰值声压仅有830.3 Pa，40 m处为792.3 Pa。药量为1 500 g时，20 m处峰值声压达到12 291.9 Pa，声压级高达139.1 dBA，40 m处的衰减为6 424.2 Pa，声压级为132.2 dBA。传播中峰值声压衰减约47.7%，声压级衰减4.9%。相对于FAB时，20 m处的峰值声压削弱了24.6%～93%，声压级削弱了1.9%～6.9%；40 m处峰值声压削减了24.8%～87.7%，声压级削弱了1.4%～3.2%。

4.3 不同防爆条件下的人耳损伤等级情况对比

针对图19(b)中不同TNT药量时的典型距离处HLEN峰值声压级，依据表1中人耳听器损伤判据及划分等级，分析得到不同防爆条件下典型距离范围r所对应的损伤等级情况，如表5所示。

图19 不同防爆条件下峰值声压/声压级随TNT药量变化Fig.19 Peak psp/pspl versus TNT mass under different explosion-proof conditions

由表5可以发现，FAB时，当TNT药量从750 g增加到2 250 g，距爆心20～40 m，声压级峰值全部超过了人耳鼓膜破裂的损伤阈值，即出现Ⅲ级损伤；同时，20 m处声压级峰值已接近Ⅳ级损伤。由此可以推断，20 m内出现Ⅳ级向Ⅲ级损伤过渡；40 m以外，由Ⅲ级向Ⅱ级、Ⅰ级和无损伤逐渐过渡。

表5 不同防爆条件下的人耳损伤等级情况Table 5 Classification of human ear injuries under different explosion-proof conditions

FEP时，750 g TNT爆炸10 m处，声压级峰值接近Ⅲ级损伤阈值，即10 m内可能出现Ⅳ级向Ⅲ级损伤过渡；20 m处，声压级峰值仍超过人耳痛阈，即出现Ⅱ级损伤；20 m以外，则由Ⅱ级向Ⅰ级过渡；药量从1 500 g增加到2 250 g时，20 m处声压级峰值均超过Ⅲ级损伤阈值，40 m处均超过Ⅱ级损伤阈值，即20 m以内，听器出现Ⅳ级向Ⅲ级损伤过渡；20～40 m，出现Ⅲ级向Ⅱ级过渡；40 m以外，则由Ⅱ级向Ⅰ级和无损伤过渡。

SEP时，750 g TNT爆炸20 m距离处，声压级峰值接近Ⅲ级损伤阈值，40 m已超过Ⅱ级损伤阈值。可以推断20 m内，由Ⅳ级向Ⅲ级过渡；20～40 m，表现为Ⅱ级损伤；40 m以外，由Ⅱ级向Ⅰ级和无损伤逐渐过渡；1 500 g TNT时，20 m和40 m处声压级峰值均已超过Ⅲ级损伤阈值，则20 m内由Ⅳ级向Ⅲ级过渡；20～40 m，表现为Ⅲ级损伤；40 m以外，由Ⅲ级向Ⅱ级、Ⅰ级和无损伤逐渐过渡。

5 结论

本文采用试验研究的方法，对比分析了防爆当量均为1 500 g TNT的FEP和SEP两种典型防爆装备相对于无防爆FAB条件时，对750 g、1 500 g和2 250 g药量TNT爆炸载荷中伴随的HLEN防护性

能。得出主要结论如下：

1)HLEN具有典型的低频率高声压/声压级特征，并呈现不同的衰减特性。从20～40 m，FAB时声压峰值衰减46%～49.1%，声压级衰减5.1%～5.7%；FEP时声压峰值衰减46.2%～52%，声压级峰值衰减4.6%～4.7%；SEP时声压峰值衰减47.7%，声压级峰值衰减4.9%。不同防爆条件时，HLEN从20 m传播到40 m的时间相等，Δ=Δ=Δ=0.057 s。

2)同TNT药量、同距离处时，相对于FAB，FEP和SEP均对声压和声压级峰值有所抑制，表现为FEP削弱声压峰值52%～93.5%，声压级降低4.8%～9.1%；SEP削减峰值声压24.6%～93%，声压级降低1.4%～6.9%。从整体来看，不同防爆条件时声压和声压级峰值随药量的增加而逐渐增高。

3)根据人体听器损伤相关阈值，将HLEN引起的人耳损伤划分为Ⅰ级可听阈、Ⅱ级痛阈、Ⅲ级损伤阈和Ⅳ级重伤阈4个等级。在40 m范围内，不同防爆条件下人耳听器损伤等级表现为，FAB时以Ⅳ级和Ⅲ级损伤特征为主，FEP时以Ⅲ级、Ⅲ级向Ⅱ级过渡两种损伤特征为主，SEP时以Ⅳ级向Ⅲ级损伤过渡、Ⅲ级两种损伤特征为主。