模擬聲源的小尺度爆破模型研制

閆莎莎，王海亮，于 福，趙 琛，呂莎莎

（1.山東科技大學a.礦業工程國家級實驗教學示范中心，b.安全與環境工程學院，山東青島 266590；2.中國交通建設股份有限公司，北京 100088）

0 引言

炸藥作為一種鉆爆法的核心物品，在礦業巷道掘進［1］、公路隧道建設［2］、水利水電［3］等民用領域和國防建設中得到廣泛的應用。炸藥爆炸具有高強、瞬發的工況特征，伴隨有空氣氣流的強擾動，產生具有脈沖聲波特征的爆破噪聲［4］。現有炸藥爆炸工況及其產生噪聲的傳播規律和降噪消噪研究主要采用野外起爆炸藥的試驗方法，采集炸藥爆炸噪聲特征參數，獲得炸藥爆炸噪聲聲學特性，測試降噪消噪方法的有效性［5-7］。現場試驗雖然能獲得與現場工況相匹配的試驗數據，但是存在炸藥申領手續繁瑣、試驗場地選擇困難、試驗成本高、安全隱患大等缺點。任新見等［8］公開了一種爆炸沖擊波在隧道中傳播規律實驗用組裝式模型，但爆源是炸藥，需要在室外開展實驗，依然無法解決上述缺陷，且不利于除軍事類高校外的普通高校實驗教學的開展。目前普通高校對爆破相關實驗以模型觀摩或虛擬仿真實驗為主，缺乏適用于實驗實踐的教學儀器和方法，學生對爆破知識的理解只能滯留在理論層面。

本文提出了適用于室內實驗的模擬聲源小尺度爆破模型，在最大程度模擬現場試驗的基礎上，克服了現場試驗成本高、安全隱患大等缺陷，解決了炸藥爆炸實驗無法在室內模擬實現的技術難題，有助于滿足“爆破工程”“井巷工程”等課程的實驗教學需求，為爆破消噪的室內研究提供了操作性強、安全可行的方法。

1 模擬聲源確定

1.1 炸藥爆炸噪聲聲學特征

1.1.1 實驗材料和方法

以青島市某地鐵施工段為實驗現場，利用北京聲望聲電技術有限公司的VA-Lab 噪聲數據采集器，采集10 g 2 號巖石乳化炸藥隧道內爆炸噪聲的聲學數據，將其作為隧道爆破聲源聲學特征的依據。測試時炸藥放置于直徑16 mm、高1.5 m的鋼筋焊接支架上，雷管聚能穴及藥包軸向正對噪聲數據采集器的傳感器，傳聲器放置于距炸藥50 m 的相同高度的支架上，與炸藥處于同一軸向水平面。實驗測試點布置示意圖和測試現場見圖1。炸藥爆炸實驗進行3 次，以盡可能減小外界環境對實驗數據干擾帶來的誤差，每次實驗炸藥起爆位置及傳聲器位置不變［9-10］。

圖1 現場測試點布置及測試現場

1.1.2 實驗結果

2 號巖石乳化炸藥爆炸瞬間噪聲聲波振動的時域曲線如圖2 所示。炸藥起爆瞬間炸藥對外部空氣做功，導致外部周圍聲壓急劇增大，出現聲壓變化，隨著聲能向外擴散，至0.1 s 時測點附近聲波出現振動幅值變化，在0.1～0.15 s時幅值變化最大，然后又迅速降低，至0.02 s后聲波振動幅值迅速衰減。將圖2 中聲波振動幅值對應的聲壓數據進行聲壓級換算后再進行快速傅里葉變換，得到傅里葉變換曲線（FFT），即對應聲壓的頻域曲線，如圖3 所示。炸藥爆炸噪聲瞬時聲壓達到最大值時，對應脈沖聲波的頻率為1 kHz，隨著噪聲向外擴散，脈沖聲波振動頻率集中在1～20 kHz，呈迅速衰減趨勢。

圖2 炸藥爆炸瞬間聲波振動的時域曲線

圖3 炸藥爆炸瞬時聲壓的頻域曲線

1.2 模擬聲源噪聲聲學特征

趙躍英等［11］認為氣球破裂作為聲源具有不可重復性，電火花聲信號可重復，白噪聲具有穩態性，但電火花和白噪聲均無法實現炸藥爆破工況模擬。本文將激發時具有瞬發特征的發令槍、導爆管、鞭炮作為待定模擬聲源，采集噪聲聲學數據。考慮到發令槍、導爆管和鞭炮的起爆能量小于2 號巖石乳化炸藥，起爆點支架與傳聲器支架間距設置為50 cm，測試環境及其他儀器布置方式均與炸藥爆炸測試實驗相同。

對發令槍、導爆管、鞭炮3 種模擬聲源各起爆3次，分別計算聲壓級，對模擬聲源起爆時噪聲聲壓級做快速傅里葉變換得到FFT。最大聲壓級lp和FFT 峰值如表1 所示。各模擬聲源中導爆管起爆噪聲的最大聲壓級和FFT峰值標準差較小，表示數據的離散程度較低，穩定性高，可知3 種模擬聲源中導爆管的穩定性最高。各模擬聲源激發瞬間對應的瞬時聲壓頻域曲線如圖4 所示。鞭炮起爆后噪聲聲壓達到最大時對應的脈沖聲波頻率小于1 kHz，與炸藥爆炸產生脈沖聲波的頻率變化特征明顯不同。導爆管與發令槍起爆后達到最大噪聲聲壓時對應脈沖聲波頻率1 kHz，頻率衰減范圍集中在1～20 kHz，兩者脈沖聲波頻率變化特征與炸藥爆炸噪聲的聲波頻率變化特征相似。

表1 各模擬聲源最大聲壓級及FFT峰值_______

圖4 三種模擬聲源瞬時聲壓頻域曲線

1.3 模擬聲源起爆工況貼合度分析

炸藥爆炸產生的噪聲是炸藥包的外部問題，是爆炸后發生在藥包周圍介質中的能量傳播過程。爆炸瞬間，一定體積內突然產生大量高壓、熾熱氣體，以超聲速迅速膨脹，形成沖擊波，沖擊波隨距離能量衰減形成噪聲［12-13］。

（1）發令槍。發令槍扳機撞擊子彈后部，激發子彈中火藥爆炸，瞬態噪聲的產生和炸藥爆炸相同。然而發令槍占用空間較大，不宜實現自動控制，無法模擬隧道延時爆破的工況特征。

（2）鞭炮。鞭炮的品種繁多，爆炸噪聲的聲學特征受裝藥配方、裝藥量、包覆紙殼材質及厚度、生產工藝等多種因素影響。即使是同一廠家的產品，其爆炸的聲學指標也存在較大的差異性。

（3）導爆管。作為常見的民用爆炸物品，導爆管不具有爆炸危險性，在火焰和機械碰撞的作用下不能起爆，且其生產、驗收受國家標準嚴格控制，操作簡單、使用安全，長期儲存仍能保持穩定的傳爆性能。導爆管的爆炸過程是炸藥爆轟的穩定傳爆過程，具備炸藥爆炸爆轟波傳播的基本特征。在導爆管的末端由弱爆轟波衰減為弱沖擊波，再由弱沖擊波衰減為聲波。

導爆管起爆噪聲的聲學特征和起爆工況與炸藥爆炸噪聲的形成過程完全一致，尤為重要的是導爆管的爆炸過程安全、穩定、可控，起爆形成的爆轟波和沖擊波對人員、傳聲器等精密儀器、實驗模具和實驗設備無傷害，因此確定導爆管作為實驗用模擬聲源。

2 以導爆管為模擬聲源的爆破分析

2.1 實驗方法

導爆管起爆后存在一個達到穩定爆轟的過程，當導爆管起爆時已達到穩定爆轟過程時，起爆噪聲必然是穩定性的，因此實驗時導爆管長度不應小于達到穩定爆轟時的長度。一般認為導爆管的穩定爆轟長度約30 cm［14］，崔新男等［15］基于數字圖像法對導爆管爆速進行了測試，呂莎莎等［16］采用高速攝像發研究導爆管傳爆過程。崔新男采用折返式布置導爆管，導爆管拐彎出爆轟波波速不穩定，導致測試數據不連續。呂莎莎認為爆速達到穩定長度時導爆管的最短距離是40 cm左右，但受拍攝圖像和分辨率的影響，爆轟長度的測量包括了導爆管爆轟波前沿波斷面，存在一定誤差。因此設計高幀數高速攝像實驗，對導爆管穩定爆轟的精確長度進行探究，以保證起爆噪聲的穩定性。

將高速攝像機幀數設置為280 kf／s，每兩幅圖間隔時間3.57 μs，分辨率512 ×384，取110 cm導爆管直線布置，按文獻［16］中的方法進行固定和位移標定。對導爆管起爆3 次，利用PCC軟件的快速測量功能得到爆轟波的位移及速度。

2.2 實驗結果

高幀數高速攝像實驗得到導爆管爆轟波波陣面傳遞過程如圖5 所示。由圖5 知，傳爆初期爆轟波亮度較弱，然后明亮直至耀眼。這是因為導爆管內藥粉發生化學反應時藥粉的分布較分散，傳爆時管腔內壓力不太高，所以導爆管內藥粉顆粒發生化學反應時并不是一個整體，粒子反應活化狀態是從某個局部的表面開始的。隨著反應的進行和加劇，中間產物不斷迅速擴散，進而蔓延到全部表面和藥粉粒子內層。爆炸產生的能量支撐著爆轟波前沿的波陣面急劇前進，急劇前進的爆轟波促使導爆管內壁上尚未發生反應的炸藥顆粒活性增大開始反應。導爆管的穩定傳爆就是上述過程的不斷循環的過程［17］。

圖5 110 cm導爆管傳爆過程

將3 次實驗的爆轟波位移和速度數據取平均值，導入Origin 軟件作圖，獲得爆轟移動距離與爆速關系散點圖（見圖6）。從圖6 可知，導爆管起爆后爆速急劇增大，而后達到穩定值，即DE段，此時穩定爆速在1.9 km／s 左右。從成長到穩定階段過程位移為36.29 cm。

圖6 110 cm導爆管爆轟波移動距離-速度關系及擬合曲線

圖6 中因OA段驟降，而回升成長期有較為明顯的曲線形態，故匿去此區間數據點，對回升成長期進行擬合，獲得表征爆轟成長期爆速與爆轟波移動距離關系的擬合曲線。說明當越過導爆管爆轟成長期后，導爆管爆速越趨于穩定值，爆速與爆轟波移動距離相關性很低，從理論上進一步說明了高幀數攝像實驗結果的可靠性。因此導爆管做模擬聲源時的長度l≥36.29 cm，考慮實驗成本和導爆管起爆后爆轟波穩定性要求，確定導爆管作為模擬聲源時長度為36.29 cm≤l≤100 cm。

3 模擬聲源的小尺度爆破模型

模擬聲源的小尺度爆破模型用于模擬隧道或巷道爆破工況。爆破噪聲在隧道或巷道中傳遞時，其聲學特征也受模型大小、斷面形狀和內壁相對粗糙度的影響［18］。因此，應用幾何相似和材料相似原理，以青島市某地鐵施工段實驗現場為原型，確定模型隧道的幾何相似比Cl＝50，模型的寬高比為5∶4，內壁絕對粗糙度20，斷面形狀為矩形。

模擬聲源的小尺度爆破模型示意圖如圖7 所示，由5 個模型單元組成。模型單元由金屬套筒、內襯體、檢測孔、連接部、把手部和封堵擋板組成。內襯體沿模型軸線方向由4 塊矩形水泥砂漿砌塊拼接而成，采用結構膠填充拼接縫，如圖7（c）所示。

圖7 模型隧道測試裝置示意圖

為能夠模擬測試材料或裝置的降噪消噪效果，5個模型單元中間均可加裝一個插接單元，以加裝隔音裝置或材料，如圖8（a）所示。插接單元由插接金屬套筒、插接內襯體、插接孔、測試單元、連接部和把手部組成。內襯體由水泥砂漿砌塊拼接而成，如圖8（b）所示。測試單元位于插接單元內部，如圖8（c）所示。

圖8 加裝插接單元爆炸噪聲測試裝置示意圖

封堵擋板在端頭模型單元端部，由金屬套盒、砂漿砌塊、穿孔和銅管組成。封堵擋板分兩種類型，一種是與模型隧道中軸線等高處設置一個穿孔，用于模擬單點起爆工況，如圖7（a）及（b）中標號1 所示；另一種是在封堵擋板上設置多個穿孔，用于模擬多點起爆、不同裝藥量起爆和小間距起爆等爆破工況，如圖9 所示。其中端頭的模型單元端部擋板設置1～24 號穿孔，其中1～6 號穿孔模擬掏槽孔，7～10 號穿孔模擬輔助孔，11～24 號穿孔模擬周邊孔。當發爆器采用微差發爆器時可模擬毫秒延時起爆工況。

圖9 模型隧道測試裝置多點起爆端部擋板示意圖

4 應用效果

為確保導爆管作為模擬聲源的小尺度爆破模型的應用效果，以單點起爆實驗為例論述噪聲聲學特征測試。將50 cm長的導爆管一端頭與發爆器連接，另一端頭經銅管進入端部擋板內側并與銅管的內側端頭齊平。將模型單元的編號根據與封堵擋板的距離，由近及遠依次為1＃～5＃，分別將5 只直徑10 mm的傳聲器穿過檢測孔進入模型單元內部。檢測孔與傳聲器之間設置密封圈。數據采集儀通過數據線連接傳聲器。傳聲器的信號接收端與擋板內側導爆管末端高度齊平。起爆導爆管，由數據采集儀采集模型單元中傳聲器的噪聲數據。由于2＃和3＃傳聲器的測得的噪聲數據變化不明顯，因此只將1＃、2＃、4＃和5＃的噪聲數據作頻域特征曲線，如圖10 所示。從圖中可以看出，應用該實驗中導爆管激發后產生的噪聲在隧道模型中傳播時整體呈現逐漸衰減趨勢，且聲波頻譜特征與炸藥爆炸噪聲聲波的頻譜特征始終一致，說明該實驗裝置和方法能夠用于模擬隧道工程爆破、脈沖聲波在隧道中的傳播規律以及降噪方法的研究。

圖10 單點起爆工況實驗的噪聲頻域特征譜線

5 結語

本文從爆破工況貼合度和噪聲聲學特征的角度分析論證并探討了將導爆管作為模擬聲源的小尺度爆破模型研制，以單點起爆實驗為例進行了應用效果檢驗。模擬聲源與炸藥爆炸噪聲聲學特征貼合度高、實驗安全，適用于室內開展模擬炸藥爆炸實驗。確定導爆管作為模擬聲源時的長度36.29～100 cm，達到了穩定爆轟，實現了爆破噪聲測試中噪聲聲學特征數據的穩定性。模擬聲源的小尺度爆破模型可用以單點起爆設計、多點起爆設計、延時起爆炮眼布置等實驗教學項目，從原理上幫助學生對知識的理解，通過導爆管與發爆器連接、導爆管連線、導爆管數量設計、降噪消噪材料設計等實驗過程，達到鍛煉學生的操作能力、思考能力和設計創新能力的實驗教學目標。