張夢妹，孔德仁，陳威錚，商 飛

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

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溫壓炸藥爆轟地震效應(yīng)測試及其衰減特征分析

張夢妹，孔德仁，陳威錚，商 飛

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

大當量的彈藥爆炸時產(chǎn)生的地震效應(yīng)不可忽視，建立彈藥爆炸場地震波測試系統(tǒng)并準確測量出地震波數(shù)據(jù)對于彈藥的威力評定具有重要意義. 為了研究溫壓炸藥的爆炸地震效應(yīng)，本文結(jié)合實際的爆炸場環(huán)境，組建地震波測試系統(tǒng)，開展試驗進行測試，并將溫壓炸藥的爆炸地震效應(yīng)與TNT進行比較，測試和分析結(jié)果表明： 等體積裝藥的溫壓炸藥爆炸產(chǎn)生的地震效應(yīng)強度比TNT大，地面振動速度幅值隨時間衰減比TNT快； 溫壓炸藥爆炸地面振動幅值隨距離變化而迅速衰減，其衰減速度比TNT快.

爆炸地震效應(yīng)； TNT； 溫壓炸藥； 衰減特性

炸藥在空中爆炸后，瞬時轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷馗邏寒a(chǎn)物. 爆炸產(chǎn)物在空氣中進行膨脹，強烈壓縮空氣從而形成爆炸空氣沖擊波. 當沖擊波垂直撞擊炸藥正下方的地面時會發(fā)生正反射，同時有一部分能量轉(zhuǎn)換為地震波. 沖擊波繼續(xù)向外傳播時，其不斷與地面發(fā)射碰撞，因此沖擊波在地面發(fā)生斜反射時，也同樣會產(chǎn)生地震波[1]. 大當量的彈藥爆炸后，除空氣沖擊波的毀傷作用外，產(chǎn)生的地震波對相應(yīng)目標的影響也是不可忽略的.

目前在對云爆彈、 巨型彈和溫壓彈等武器彈藥的研究中，主要集中在超壓場、 溫度場、 破片和窒息效應(yīng)方面[2,3]，對于其爆炸場地震波的研究十分少. 在對地震波的研究中，國內(nèi)外學(xué)者對于工程爆破產(chǎn)生的地震波的研究較多，且多是對于土中、 水中或巖石中爆破產(chǎn)生的地震波進行研究[4,5]，部分文獻[6,7]對于彈藥在地面以上爆炸場的地震波特性進行了研究，但研究的彈藥的當量較小，對于大當量的溫壓炸藥爆轟地震效應(yīng)的研究較為少見. 傳統(tǒng)的TNT是點爆轟，而溫壓彈的爆轟過程是一種體爆轟，溫壓炸藥爆轟引起的地震波與TNT點爆轟引起的地震波有何區(qū)別值得研究.

本文組建測試系統(tǒng)對溫壓炸藥爆炸地震效應(yīng)進行測試，分析其衰減特征，并與TNT爆炸地震效應(yīng)進行比較. 溫壓炸藥爆炸地震效應(yīng)的測試將為大當量溫壓彈藥的預(yù)先研究設(shè)計、 毀傷威力評估和防護工程設(shè)計等提供有效的技術(shù)支持和規(guī)范化數(shù)據(jù)[8].

1 地震波測試系統(tǒng)

1.1 炸場地震波特性

爆炸場地震波是非平穩(wěn)隨機信號，具有持續(xù)時間短、 突變快等特點，在地震波傳播過程中，地震波包含的不同類型波傳播速度不一樣. 縱波傳播速度最快，橫波速度次之，瑞利波最慢. 在近距離處，縱波、 橫波和瑞利波幾乎同時到達，很難辨認地震波的類型； 在遠距離處，傳播較慢的橫波、 瑞利波開始與縱波分離，可以分辨它們，且橫波和縱波的能量較小，幅值較低，實際上從震動波的特點來看，主要成分是瑞利波. 瑞利波到達后，將在地面產(chǎn)生一個幅值較大，具有沖擊特性的振動脈沖[9]，使地面做不規(guī)則的強烈振動，之后地面振動的強度逐漸衰減，表現(xiàn)為自由阻尼振動. 由于爆炸場地震波突變快和持續(xù)時間短的特點，測試傳感器的響應(yīng)時間應(yīng)盡量短，測試系統(tǒng)可靠性要高，且大多數(shù)情況下地震波頻率范圍在30～300 Hz[10]，傳感器要滿足地震波頻率范圍的要求.

1.2 測點布置

為了研究爆炸場地震波隨距離的衰減規(guī)律，將測點布置在沿著爆心的同一徑向的直線上，且為了較好地擬合地面振動峰值速度隨距離的衰減規(guī)律，至少布置4～6個測點，本文試驗放置了5個測點.

試驗時炸藥放置在離地3 m處，并保證放置炸藥的架子水平. 試驗測點布置如圖 1 所示，傳感器1～5 距離爆心的水平距離分別為40 m, 53.5 m, 60 m, 67 m, 80 m. 測試時采用內(nèi)觸發(fā)方式，觸發(fā)的振動速度設(shè)為0.1 cm/s，采樣頻率16 kHz，采樣時間5 s，預(yù)采樣時間-200 ms.

圖 1 試驗測點布置圖Fig.1 Test point arrangement

1.3 系統(tǒng)組成及原理

圖 2 測試系統(tǒng)框圖Fig.2 Test system block diagram of seismic wave

地震波在遠場主要成分是瑞利波，瑞利波在切向、 徑向和垂直3個方向的振動速度存在一定的關(guān)系，因此可以選擇一維方向的速度進行地震波測量，而垂直方向比較便于安裝傳感器，所以本文采用質(zhì)點垂直振動速度作為溫壓炸藥和TNT爆炸場地震波的測試量.

本文組建的爆炸場地震波測試系統(tǒng)由速度傳感器，信號調(diào)理模塊和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3部分組成，其系統(tǒng)框圖如圖 2 所示.

結(jié)合各方面要求，本文選定磁電式單項速度傳感器，其頻響范圍為5～500Hz，且選擇的傳感器內(nèi)置了信號調(diào)理模塊，因此可直接與數(shù)采相連. 選擇的磁電式速度傳感器為慣性傳感器，當炸藥爆炸后，產(chǎn)生的地震波向遠處傳播，傳感器與大地緊密連接，地面振動時，傳感器的外殼隨之振動，但由于慣性，傳感器的芯桿、 線圈和阻尼環(huán)的整體并不隨之振動，因此它們與殼體之間產(chǎn)生相對運動，此時在磁路氣隙間的線圈就切割磁力線產(chǎn)生正比于振動速度的感應(yīng)電動勢，感應(yīng)電動勢與速度一一對應(yīng)，正比于速度值. 試驗中采用的觸發(fā)方式是內(nèi)觸發(fā)，當傳感器測到的振動速度超過設(shè)定的觸發(fā)值時，與傳感器相連的測振儀即開始采集數(shù)據(jù).

傳感器的安裝是測試中非常重要的一個問題，目前傳感器的安裝主要有兩種方法，一是設(shè)計相應(yīng)的傳感器釬桿、 基座等，將其嵌入地表，傳感器固定在釬桿、 基座上； 另一種是直接將傳感器置于地表，周圍用相應(yīng)的材料粘附[10]. 傳感器的安裝必須使傳感器與被測點的表面牢固地結(jié)合在一起，否則在測量振動時會導(dǎo)致傳感器松動或者滑落. 考慮到測試場地是沙土地，土質(zhì)疏松，且大當量彈藥爆炸產(chǎn)生的地震波振動幅值較大，采用上述的第二種方法很難固定傳感器. 因此本文設(shè)計利用釬桿來固定傳感器，實驗時將釬桿夯實在沙土中，再將傳感器通過底座上的螺絲與釬桿固定在一起，這樣傳感器就與地表緊密連接，可以隨地表一起振動，試驗表明此種方法是有效的.

2 溫壓炸藥和TNT爆炸地震效應(yīng)試驗

依據(jù)測試方案進行了等體積溫壓炸藥與TNT爆炸地震效應(yīng)測試，獲得了有效的數(shù)據(jù)，選取40 m和80 m處溫壓炸藥和TNT典型爆炸地面振動速度曲線如圖 3 和圖 4 所示.

圖 3 40 m處溫壓炸藥和TNT爆炸地面振動速度波形圖Fig.3 Ground vibration velocity wave of thermobaric explosive and TNT explosion in 40 m

圖 4 80 m處溫壓炸藥和TNT爆炸地面振動速度波形圖Fig.4 Ground vibration velocity wave of thermobaric explosive and TNT explosion in 80 m

曲線上的最大振動脈沖是由瑞利波引起的，此時地面做不規(guī)則的強烈振動，之后地面振動的強度逐漸衰減，表現(xiàn)為自由阻尼振動，振動強度逐漸衰減到零. 根據(jù)各測點的主振動脈沖的最小值對應(yīng)的時間，可得出溫壓炸藥地震波的傳播速度約為384.09 m/s，TNT地震波的傳播速度約為383.04 m/s. 兩者的傳播速度略有不同，可能與兩次測試時溫度略有差別有關(guān).

各個測點的峰值速度如表 1 所示.

表 1 溫壓炸藥和TNT爆炸場地震波各測點的峰值速度

3 溫壓炸藥遠場地震效應(yīng)衰減特征分析

3.1 爆炸地面振動速度隨時間變化特征

從圖 3，圖 4 的速度曲線可以看到R波到達后，在地面產(chǎn)生的一個幅值較大，具有沖擊特性的振動脈沖，圖 3 中在主振動脈沖前沒有明顯振動波形，而圖4的速度曲線在主振動脈沖前有清晰的幅值相對較大的振動波形. 這是因為地震波包含的橫波(S波)、 縱波(P波)和瑞利波(R波)中，縱波波速最快，振幅??； 橫波傳播速度次于縱波，振幅較縱波大； 瑞利波速度最慢，但振幅最大. 在距離爆心40 m處，因距離較近，P波、 S波與R波還沒有分離，在測到的波形圖上無法區(qū)分P波、 S波與R波； 在距離爆心80 m 處，P波、 S波與R波分離，可以在波形圖上分辨出來.

從速度曲線可以看出，速度曲線初始階段變化非常劇烈，屬于強迫振動階段，之后強度逐漸衰減，表現(xiàn)為自由阻尼振動. 地震波向遠處傳播的過程中，除了幅值變小，振動的持續(xù)時間長度并沒有減小，溫壓炸藥的地震效應(yīng)強度大于TNT，除此之外沒有大的差別，他們的振動過程相似，衰減周期是一致的.

爆炸地震是一種短時非平穩(wěn)隨機過程，從圖 3，圖 4 中可以看出，爆炸場地震波的持續(xù)時間非常短暫，在爆炸源完全爆炸，地面振動速度幅值達到最大值后，將迅速衰減，且溫壓炸藥爆炸地面振動幅值隨時間衰減明顯比TNT快.

3.2 爆炸地面振動速度隨距離變化特征

圖 5 等體積溫壓炸藥和TNT爆炸地面振動峰值速度擬合對比圖Fig.5 Ground vibration peak velocity fitting comparison of thermobaric explosive and TNT explosion

從測試結(jié)果可以看出，溫壓炸藥和TNT爆炸地面振動速度隨距離變大而變小，本文測試均在相同環(huán)境條件下進行，溫壓炸藥和TNT是等體積裝藥，他們的彈藥量Q均為常數(shù)，為了研究溫壓炸藥和TNT爆炸地面振動速度隨距離的衰減特征，依據(jù)測試數(shù)據(jù)建立了式(1)來進行擬合

式中：v為爆炸質(zhì)點振動峰值速度/cm·s-1；R為爆心至測點的距離/m；v0為R=0時爆炸地面振動峰值速度/cm·s-1；α為衰減指數(shù)/m-1.

用最小二乘回歸分析方法擬合，擬合時先將公式兩邊取對數(shù)，化成直線擬合. 得到擬合結(jié)果： 溫壓炸藥v0=35.981 3，α=-0.028 2，logv和R的相關(guān)系數(shù)r=-0.984 4，TNT的v0=17.547 3，α=-0.021 3，logv和R的相關(guān)系數(shù)r=-0.983 5. 可得溫壓炸藥和TNT爆炸地面振動峰值速度隨距離衰減的函數(shù)關(guān)系為：

溫壓炸藥

v=35.981 3e-0.028 2R.

TNT

v=17.547 3e-0.021 3R.

擬合的質(zhì)點峰值速度曲線如圖 5 所示. 根據(jù)擬合結(jié)果式(2)，式(3)和圖 5 可以看出： 溫壓炸藥和TNT爆炸地面振動峰值速度隨距離變化衰減迅速，并且在近距離處衰減快，隨著距離變遠，衰減速度逐漸減緩. 溫壓炸藥的衰減指數(shù)明顯大于TNT的衰減指數(shù)，溫壓炸藥爆炸地面振動峰值速度衰減遠快于TNT，但隨著距離的變化，兩者之間的差異逐漸減小，在距離爆心80 m處，兩者的衰減速度差異已經(jīng)很不明顯.

4 結(jié) 論

1) 本文組建的爆炸場地震波測試系統(tǒng)是有效的，現(xiàn)場測試成功獲取了有效的溫壓炸藥和TNT爆炸地面振動速度數(shù)據(jù).

2) 溫壓炸藥和TNT的爆炸場地震波在向遠處傳播的過程中，除了振動速度幅值變小，振動的持續(xù)時間長度并沒有減小.

3) 等體積裝藥的溫壓炸藥和TNT爆炸后，溫壓炸藥的地震效應(yīng)強度大于TNT，溫壓炸藥爆炸地面振動速度幅值隨時間衰減的速度比TNT快，但衰減周期是一致的.

4) 溫壓炸藥和TNT爆炸地面振動峰值速度隨距離衰減迅速，衰減速度隨離爆心距離變遠逐漸減緩，且溫壓炸藥爆炸地面振動峰值速度衰減遠快于TNT，但隨著距離的變化，兩者之間的差異逐漸減小，在距離爆心80m處，兩者的衰減速度差異已經(jīng)很不明顯.

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Measurement and Analysis of Attenuation Characteristics of Seismic Effect Caused by Thermobaric Explosive Detonation

ZHANG Mengmei, KONG Deren, CHEN Weizheng, SHANG Fei

(College of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

The seismic effect caused by explosion of the big equivalent of ammunition can not be ignored. It is of great significance for ammunition power evaluation to establish a test system of ammunition explosion seismic wave and to accurately measure the seismic wave data. To study explosion seismic effect of thermobaric explosive, combined with the actual conditions of explosion field, the test system of seismic wave was set up, And the experiment was carried out and explosion seismic effect of thermobaric explosive was compared with TNT. The results of test and analysis indicate that: The intensity of seismic effect of thermobaric explosive is greater than that of an equal volume of TNT. And the attenuation of ground vibration velocity amplitude with time is faster than that of an equal volume of TNT .With the change of distance, ground vibration amplitude of thermobaric explosive explosion decay quickly, its attenuation speed is faster than TNT.

seismic effect of blast feild; TNT; thermobaric explosive; attenuation characteristics

1671-7449(2016)06-0534-05

2016-04-17

張夢妹(1992-)，女，碩士生，主要從事沖擊波測試及其毀傷威力評估的研究.

O384

A

10.3969/j.issn.1671-7449.2016.06.015