火箭導彈發射過程人員安全性實驗系統構建＊

張貴林，李永勝，徐立黃，張波濤，謝家松

（1南京理工大學機械工程學院，南京 210094；2中國兵器工業集團湖北江山重工有限責任公司，湖北襄樊 441003）

0 引言

火箭導彈發射時產生的高溫、輻射噪聲與沖擊波，以及引起的振動，會影響周圍工作人員的身體健康與生命安全。準確、合理的測量出這些噪聲特性有著十分重要的意義。

目前，在火箭發射系統方面，人員安全的研究試驗都相對較少。研究工作更多地集中在固體火箭發動機羽流特征信號檢測、固體火箭發動機沖擊信號響應譜分析和固體火箭發動機燃燒室內聲波振蕩的數值研究。通過查閱國內外各種衛生標準、行業標準以及國家相關的軍用標準，系統的總結出火箭導彈發射時各種因素的安全限值，以此作為人體安全評價的標準；另外，通過各種測量規范標準以及相關的論文文獻資料，確定實驗測試系統中傳感器的各項性能指標以及其它硬件設施的性能參數，構建了測試系統。

1 振動、噪聲、溫度與沖擊壓力波的相關標準

《ISO2631／1—1985人承受全身振動的評定 第1部分 一般要求》中對“舒適性降低界限”、“疲勞工效降低界限”和“暴露極限”作出了明確的規定；《GB／T 13441.1－2007機械振動與沖擊人體暴露與全身振動的評價第1部分：一般要求》中從健康舒適度方面對振動加速度進行綜合評價：＜0.315 m／s2，感覺不到不舒適；0.315到0.63 m／s2，有點不舒適；0.5到1 m／s2，相當不舒適；0.8到1.6 m／s2，不舒適；1.25 到2.5 m／s2，非常不舒適；＞2.5 m／s2，極不舒適，并具體劃分出健康警告區域。

火箭彈在連續發射時，產生的是尖銳的脈沖噪聲，因此可參照國家軍用標準《GJB 12－84導彈火炮在艦上發射時的脈沖噪聲對聽覺的安全限值》，該標準中對脈沖噪聲的安全限值規定如表1所示，T為脈沖噪聲的持續時間（ms）。

表1 艦艇導彈（含火箭深彈）及艦艇火炮脈沖噪聲對人體聽覺的安全限值（峰值壓力：d B）

《GJB 898－90工作艙（室）溫度環境通用醫學要求》中規定了溫度的舒適限、工效降低限以及安全耐受限等評價標準，如表2中的溫度環境的耐受限值（表中作業服隔熱值1col＝0.155 m2·℃／W，RH為空氣濕度）。

表2 工作艙室溫度環境耐受要求環境參數的限值

脈沖噪聲與沖擊波對人員聽覺器官的損傷的安全限值見《GJB 2 A－1996常規兵器發射或爆炸時脈沖和沖擊波對人員聽覺器官損傷的安全限值》。

2 測量系統硬件的選配

實驗系統包括傳感單元、信號調理模塊、數據記錄儀器以及計算機軟件系統。振動、噪聲、沖擊波與溫度測量系統的構成如圖1所示。

圖1 測量系統構成示意圖

2.1 振動測量系統

由《GJB 965－1990人體全身振動環境的測量規范》中的相關規定可知，測量乘員艙內的振動要分別測量乘員與座椅之間、乘員與乘員艙地板之間的振動。《GB／T4970－1996汽車平順性隨機輸入行駛試驗方法》與《QC／T 474－1999客車平順性評價指標及限值》對整個振動測量系統中各元件的性能規定如下：磁帶記錄儀的信噪比應優于40d B；人體振動測量儀的性能規格頻率范圍為0.1～1000 Hz，動態范圍為100～166d B，誤差≤0.5d B。

由以上標準對傳感器的性能指標的要求以及ISO2631要求安裝在座位處的傳感器能測中心頻率為0.5～80 Hz范圍的振動，以及《GJB59.15－88裝甲車輛試驗規程野外振動實驗》中的相關規定，可確定傳感器的頻率范圍為0.1～1000 Hz，動態范圍為100～166d B，誤差≤0.5d B，傳感器采樣頻率必須高于200 Hz；磁帶記錄儀頻響：0～1000 Hz，其每通道采樣頻率可取400 Hz或更高，必須保證30 min以上的存儲深度，信噪比應該優于40d B；前置放大器頻寬0.01～1000 Hz，另外還要靈敏度高，動態范圍大，低頻響應性能好，信噪比高，輸入阻抗高，輸出阻抗低，相位失真小。

振動傳感器應該布置在與人接觸的支撐界面處，即乘員艙地板中央、司機座椅墊的中部。地板測點傳感器應置于雙腳之間。

2.2 沖擊與噪聲測量系統

《GJB349.28－1990常規兵器定型試驗方法 炮口沖擊波超壓測試》中規定傳感器的技術要求如下：用于沖擊波測量的傳感器低頻響應不大于20 Hz，高頻不小于40k Hz；非線性度不大于3%；諧振頻率應大于75 Hz；低頻下限截止頻率應為0 Hz，最大不能超過4 Hz；溫度效應小；傳感器敏感元件的直徑應盡可能小；沖擊波傳感器的軸向加速度靈敏度應不大于0.1014k Pa／g，橫 向 加 速 度 靈 敏 度 應 不 大 于0.069k Pa／g；敏感元件的光效應盡可能小，以減小射流火光的影響；上升的時間不超過20μs；響應滯后時間盡可能小，漂移現象不明顯；傳感器（含所使用的儀器在內）在測量前后都要進行靜態和動態校準，若動態校準與靜態校準出入較大，以動態校準為準。根據實際情況，沖擊波傳感器的動態量程必須滿足20～30k Pa的壓力測量，采樣頻率不得低于10k Hz。

《GJB2 A－1996常規兵器發射或爆炸時脈沖和沖擊波對人員聽覺器官損傷的安全限值》中規定：用于測量噪聲的傳聲器頻率響應在0.02～70k Hz范圍內，平坦動態響應應優于±2d B，上升時間應不大于18μs，線性動態范圍應不低于172d B，其采樣頻率不得低于40k Hz。

《GJB59.2－86裝甲車輛試驗規程 噪聲測量》中規定：整個測量系統中的輔助儀器（如磁帶記錄儀、電平記錄儀與噪聲頻譜分析儀等）其性能應符合GB3785－1983聲級計的電、聲性能及測試方法中的有關規定，整個測量系統精度為±2d B。測量使用的磁帶記錄儀要求：畸變小、抖動小、動態范圍大；頻率響應在20～20000 Hz平直，至少要求在所分析的頻率范圍內有平直的頻率響應［3］。

沖擊波與噪聲測量系統中的磁帶記錄儀的頻響應優于0～40k Hz，頻響衰減特性為36d B／倍頻程，其時間分辨率不應大于1μs，記錄系統的信噪比最低為25d B［2］，每通道采樣間隔不得高于10μs，可記錄30 min或更長［1］；記錄儀器采用瞬態記錄儀時，記錄采樣率不少于200千樣點／s，模數轉換優于8位［2］。

聲級計與沖擊波傳感器應該放置在噪聲源與最靠近噪聲源（或沖擊波源）的一耳的連線上，距耳15c m，且使傳感器的敏感面向上。

2.3 溫度測量系統

由《GJB 898－90工作艙（室）溫度環境通用醫學要求》中環境溫度要求及對火箭發射時的實際溫度輻射的大致估計，確定溫度測量范圍為±60℃，時間常數小于30 ms，采樣頻率可確定為10k Hz，共采用6個通道。數據記錄裝置每通道采樣間隔不得高于50μs，且必須能夠具備30 min的記錄深度。由于高溫主要是對人體的皮膚有損傷，則溫度傳感器應該均勻的布置在距離臉部以及身體表面5～10c m處。

根據測量系統的技術指標和實驗的實際環境，測試綜合誤差為5%～10%。測試過程中必須對整個實驗系統進行有效的防護，傳感器與其支架連接要有減振措施并與地絕緣盡量減少支架對噪聲、沖擊波的阻擋和反射；傳感器的長傳輸電纜要進行適當的防護，以免受沖擊波的沖擊而損壞，近場的電纜還要進行適當固定，以防電纜出現振動噪聲影響測量結果。

3 結論

現在越來越注重人員安全，人 機 環境的設計也越來越重要，構建實驗系統評價人員安全也顯得越來越重要，因此對火箭發射系統建立振動、噪聲、溫度以及壓力波實驗測試系統是十分重要的。對火箭發射過程中人員承受的振動、噪聲、高溫以及沖擊波進行實驗分析，得到各種物理量的數據分布規律，根據各種人員耐受標準綜合評價各物理量對人員的影響程度，保證工作人員的舒適、健康以及生命安全。

［1］ 黃正平.爆炸與沖擊電測技術［M］.北京：國防工業出版社，2006.

［2］ 孫忠良.GJB 349.28－1990常規兵器定型試驗方法炮口沖擊波超壓測試［S］.北京：國防科工委軍標出版發行部，1990.

［3］ 王佐民.噪聲與振動測量［M］.北京：科學出版社，2009.