反蛙人次聲武器次聲場特征研究

張洪剛，謝　勇，黃柏佳

(1.海軍工程大學 兵器工程系，武漢　430033; 2. 91388部隊，廣東 湛江　524000)

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反蛙人次聲武器次聲場特征研究

張洪剛1，謝勇2，黃柏佳1

(1.海軍工程大學 兵器工程系，武漢430033; 2. 91388部隊，廣東 湛江524000)

由于武裝蛙人在小規模海上沖突中的威脅越來越大,對次聲武器應用于反蛙人作戰進行了研究。分析了次聲的損傷機理及殺傷閾值，對次聲場的分布特征進行了仿真，并研究了大功率次聲源技術。

次聲；武器；蛙人

本文引用格式：張洪剛，謝勇，黃柏佳.反蛙人次聲武器次聲場特征研究[J].兵器裝備工程學報，2016(8):11-14.

隨著人類社會的不斷發展，大規模武裝沖突發生的概率越來越低，各種形式的非對稱局部沖突逐漸成為主流。在低烈度海上沖突中，武裝蛙人的威脅越來越大，其對海上石油鉆井平臺、重要港口、孤立島嶼等目標造成了嚴重威脅。

世界各國一直致力于研發高效的反蛙人武器裝備，該類裝備通常由探測裝置與攻擊武器組成，首先通過聲納等設備發現蛙人目標，再利用爆破、電擊等攻擊武器消滅或驅離目標。但是，由于蛙人目標具有隱蔽性好、機動性強、高度智能的特點，導致該類武器的實際探測與攻擊效果有限。

大量研究表明，一定功率和頻率的次聲波可以對人體造成傷害，次聲武器也是各國重點研究的新概念武器，據報道美國等西方國家已進行了大量次聲武器的研制與試驗。如果將次聲武器應用于反蛙人作戰，由于其具有殺傷范圍大、非致命、反應迅速及使用成本低等特點，必將對重要防護區域的反蛙人作戰提供巨大幫助，具有重要的軍事意義。反蛙人次聲武器是一種新概念武器，其需要解決的關鍵技術包括次聲波的頻率、強度閾值的選取；不同海區、不同水文條件下次聲場的分布特征及其安全控制技術；穩定可控的大功率次聲源技術等，作者對以上關鍵技術工程實現的可行性進行了探討與研究。

1　次聲波的特點及對人體的損傷機理

1.1什么是次聲

次聲一般是指頻率在10-4～2×10-4Hz的聲波，次聲波不能引起人耳的聽覺反應，但是次聲波基本的物理性質與其他頻段的聲波是一致的。許多自然現象如大氣湍流、地震、火山爆發、閃電、臺風等都伴隨有次聲波的發生，在與人類有關的活動中，如核爆炸、火箭發射、高鐵、飛馳的車輛甚至鼓風機、攪拌機等也會產生次聲波，其聲壓級水平可以達到90～135dB。次聲波的頻率低、波長長，因此傳播過程中衰減很小，次聲波既能穿透空氣、海水、土壤，也能穿透鋼筋混凝土、艦船殼體等。次聲在人們的生活環境中普遍存在，低強度的次聲不會影響人類的正常生活，但是當次聲的能級增大到一定程度時就可能對人類造成不同程度的傷害，因此人們開始致力于次聲武器的研究[1]。

1.2次聲對人體的損傷機理

當人體受到低強度次聲影響后，主要表現為非特異性的應激反應及神經內分泌失調癥狀，如煩躁、耳痛、頭痛、惡心及平衡失調等，高強度的次聲可導致人體嚴重的生理變化，甚至死亡。

研究表明，高強度次聲對人體的危害主要是共振效應引起的。人體可以看作是一個機械振動系統，各器官及其組成部分都有其固有的振動頻率，這種頻率稱為人體阿爾法節律。比如人體頭部的共振頻率為8～12 Hz，胸腔為4～6 Hz，心臟為5 Hz，腹腔為6～9 Hz。這些固有頻律正好在次聲的頻率范圍內，當作用于人體的次聲頻率與某一部位的共振頻率接近或相等時即會引起生物共振反應，一方面能刺激軀體感受器，使人神經錯亂產生癲狂；另一方面使人臟器產生強烈共振，產生惡心、嘔吐及強烈不適感，失去戰斗力，甚至引起臟器的永久性損傷以至危及生命[2]。

1.3次聲武器效能的影響因素

次聲武器對人體的傷害效果取決于以下3個因素：① 次聲的頻率；② 次聲暴露時間的長短；③ 次聲源強度的大小。關于第一個因素可以在武器運用時選定某一固定頻率，也可以產生多個頻率的疊加信號，以增強毀傷效果。后兩個因素有密切關系，對于次聲武器，要求在盡可能短的時間內予以殺傷，這個最大時間取決于對目標的發現距離及目標的運動速度。

研究表明，次聲波要使人體產生生理反映，其聲壓級要高于某一閾值，一些國家從防護的角度開展次聲暴露限值的研究，并制定了次聲暴露限值標準。如美國環保局提出：次聲強度在130 dB以下不會構成對公眾的危害；德國制定的工業噪聲源附近的次聲和低頻噪聲限值見表1所示；日本在人群調查、個案研究和實驗室研究的基礎上提出對居住和工作環境的次聲限制為不超過120 dB。1973年巴黎國際次聲專業會議提出：2 Hz次聲的允許暴露界限是130 dB，4 Hz是128 dB，8 Hz是125 dB，16 Hz是120 dB。

表1　工業噪聲源附近的次聲和低頻噪聲夜晚

科學家們在進行大量研究后普遍認為，次聲強度在140 dB左右時，即使作用時間較短也會引起人體內臟器官機能改變。當次聲強度上升到150 dB時會引起人體內某些器官產生病變，如果次聲強度再升高，不僅會使人生理病理方面產生明顯變化，甚至會導致人傷亡。有國外學者認為150 dB次聲作用下，人體最多可耐受2～3 min。因此，目前一般把150 dB的聲強級定為人體承受次聲的安全極限。

次聲武器對人體的殺傷效果缺乏實驗數據的支持，但是可以通過對動物的實驗間接證明，如在對狗、猴子和狒狒等動物進行試驗發現，狗在172 dB高強度次聲波的作用下，呼吸顯著困難，幾乎出現窒息。猴子和狒狒的耐受性相對好些，但呼吸率也下降30%，如果聲強再增高，比如達到195 dB以上時，用6～9 Hz的次聲波對動物進行實驗，它們會立刻死亡[3]。

2　次聲場的分布特征

2.1次聲波的能量特征

聲波在空氣和海水中傳播時會產生能量損失，聲波會越來越弱，發生傳播損失主要是擴展損失和吸收損失，其中吸收損失隨聲波頻率的降低而減小，這也是低頻聲波在海洋中傳播距離更大的原因。如果擴展損失采用柱面擴展的假設(傳播損失TL=10logr，r的單位為m)并忽略次聲波的吸收損失，可以得到在距聲源1 000 m 的距離時，次聲波強度會降低30 dB。由此可以認為，在開闊水域次聲武器的殺傷范圍一般在數百米。在半封閉或接近全封閉形狀的港口、碼頭區域，次聲武器產生的次聲場分布會受到海灣幾何形狀、海區深度、海底底質、海況等的影響，需要具體進行仿真分析。另外還可以利用次聲波的反射、相干特性進行聲聚焦，控制殺傷區域，達到反蛙人的目的。

2.2聲波由水中透射到空氣的能量損失

海水中傳播的聲波可以透過分界面傳播到空氣中，從而產生空氣中的衍生次聲波場，如果從海面透射的次聲波達到一定強度，就會對己方人員造成傷害。

當聲波從一種介質進入另一種介質時會發生反射和折射，反射波按一定的角度反射回原介質中，折射波透入第二種介質。反射波符合式(1)的反射定律，折射波符合式(2)的折射定律:

反射定律

(1)

折射定律

(2)

式(2) 即著名的斯奈爾定律，其中:θi、θr、θt分別是入射角、反射角、折射角；c1、c2分別是第一種、第二種介質中的聲速。

如果聲波由海水透射入空氣中，那么在海平面會發生反射與折射。那么反射系數V(分界面上反射波聲壓與入射波聲壓之比)與折射系數W分別為

那么，若入射聲波強度為Ii，折射聲波強度為It，則透射損失為[4]

(5)

已知海水的特征阻抗Z1=ρ1c1≈1.5×106Pa·s/m，空氣的特征阻抗Z2=ρ2c2≈415 Pa·s/m,當聲波垂直射入空氣時，透射損失的計算按式(6)，損失值約為30 dB。透射損失隨入射角θi的變化關系如圖1所示，可見垂直入射時透射損失最小，隨著入射角度的增大，透射損失變大，當入射角度為60°時，透射損失約為35 dB。

(6)

圖1　透射損失隨入射角的變化關系

2.3聲波透過艦船殼體的透射損失

次聲的穿透能力強，可穿過艦船殼體透射到艦船艙室中，如果艦船距離次聲源較近，那么透射入船體的次聲波就會對船員造成傷害。透射問題與反射、折射問題類似，定義透射系數T參考式(7)，I1是第一種介質的入射聲強，I3是第三種介質中的透射聲強。

(7)

當聲波從海水透射入艦船艙室，第一種介質是海水， 第二種介質是鋼板，第三種介質是空氣。聲波垂直入射時的透射系數見式(8)，k2=ω/c2為第二種介質中的波數，d為第二種介質的厚度。

(8)

由于次聲波長非常大，因此有k2d≤1，那么次聲波通過艦船殼體的透射損失可近似為

(9)

式(9)與式(5)在聲波垂直入射條件下是相同的，即透射損失約為30dB。在斜入射條件下，聲波在固體中傳播時不僅有壓縮波，還有切變波，但是由于中間層厚度遠小于次聲波長，因此次聲波在中間層的損失很小，透射損失規律與圖1相似。

對次聲場分布特征的仿真計算表明，一方面次聲武器由于是面殺傷武器，其作用范圍較大，效率高于點殺傷的水下槍械、深彈等；另一方面，次聲波透射入空氣、艦船艙室后至少衰減30dB，大大降低了次聲武器對本方人員造成傷害的風險，因此相對于空氣中的次聲武器，水下次聲武器更容易實現。

3　大功率次聲源的研究現狀

工作穩定、可靠的武器級的次聲發生裝置是反蛙人次聲武器系統的關鍵，這類次聲源需要滿足的關鍵技術主要是足夠大的輻射聲功率和精確的次聲頻率控制，某些情況下還要求有好的指向性。當前聲納等水下聲系統都是采用基于壓電效應的水聲換能器產生聲波。在0～20 Hz的次聲頻率范圍，雖然可以利用大量換能器組成陣列的方式產生次聲波[5-6]，但是其功率和體積都過大，難以達到武器級次聲源的要求。

目前世界上很多國家都在進行人工次聲源的開發研究，其發聲原理也大相徑庭。從聲波產生的方式看主要有電發聲、爆炸發聲和流體發聲3大類。其中流體發聲是指在一定的壓力下將壓縮空氣、高壓蒸汽或高壓燃氣等流體控制排出并激發周圍媒質的振動，形成所需頻段和強度的連續聲波，目前研制成功的次聲源大多基于該方式[7-8]。

例如，國外的某型大功率、超低頻率次聲源(如圖2所示)采用稀土永磁技術，利用放在非磁性殼體內的閉環內部壓縮空氣壓縮系統進行壓力補償，可以產生4～600 Hz，平均聲壓級達到188 dB的輻射聲波，并可穩定工作于20 m深的水下。

圖2　某型大功率超低頻發射換能器

4　結論

傳統反蛙人武器對于蛙人目標不容易進行精確探測與攻擊，本文對次聲這種新概念武器應用于反蛙人作戰的可行性進行了探討，分析了次聲波對人體的損傷機理及殺傷閾值，對次聲波在水下的分布特征進行了初步仿真，并介紹了武器級次聲源的發展現狀。結果表明，將次聲武器應用于反蛙人作戰是具備可行性的，相對于傳統武器，次聲武器具有殺傷范圍大、反應迅速及使用成本低等諸多優點，具有很好的發展前景。本研究只是對反蛙人次聲武器實現的可行性進行了探討，對于次聲武器工程實現時的損傷效果、殺傷范圍、不同條件下次聲場的分布特征等，還需要進行深入研究。

[1]張彥敏，佟盛.反蛙人技術在港口監控中的戰術應用[J].艦船科學技術,2008，30(6):168-171.

[2]趙選科，王蓮芬，何俊發.次聲波及次聲武器[J].大學物理,2005，24(25):57-59.

[3]郭毅軍，蔡紹皙，趙志強,等.次聲波與次聲武器[J].生物學通報,2007，42(7):3-5.

[4]許肖梅.聲學基礎[M].北京：科學出版社，2003.

[5]肖峰.現場可控非致命的次聲武器研究[J].兵工學報,2002，23(3):426-429.

[6]張娜，喬衛東.基于聲學參量陣的次聲波定向仿真技術研究[J].西安理工大學學報,2012，28(3):356-360.

[7]張兵.葉片式次聲發生裝置研究[D].長沙：國防科學技術大學，2011.

[8]董明榮，陳克安，許學忠,等.高聲強次聲產生裝置聲場特性實驗研究[J].振動工程學報,2013，26(3):404-409.

(責任編輯楊繼森)

Research on Infrasound Field Characteristic of Anti-Diver Infrasound Weapons

ZHANG Hong-gang1，XIE Yong2, HUANG Bai-jia1

(1.Department of Weapon Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China;2.The No. 91388thTroop of PLA, Zhanjiang 524000, China)

Because the dangerous of underwater divers is more serious in low level sea battles, the practicality of infrasound wave weapon applied on anti-diver battle was studied. The fundamental and threshold of damage on divers was analyzed, the distribution of underwater infrasound field was simulated and high power infrasound source was researched.

infrasound wave; weapon; underwater diver

2016-02-17；

2016-03-08

張洪剛(1980—)，男，博士，講師，主要從事水聲工程，水中兵器自導技術研究。

10.11809/scbgxb2016.08.003

format:ZHANG Hong-gang，XIE Yong, HUANG Bai-jia.Research on Infrasound Field Characteristic of Anti-Diver Infrasound Weapons[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(8):11-14.

O425

A

2096-2304(2016)08-0011-04

【裝備理論與裝備技術】