劉陽銘，莊弘煒，盧 玲

（武警工程大學(xué)裝備工程學(xué)院，陜西 西安，710086）

隨著聲光彈在當(dāng)前國內(nèi)群體性事件中的不斷運用，對聲光彈的非致命性要求也更加突出。因此，當(dāng)前使用的殼體材料更趨向于殺傷性小的塑料外殼甚至紙殼。本文以聲光彈爆炸時產(chǎn)生的聲強，光強為檢驗指標，利用聲光彈特性測試系統(tǒng)，對不同塑料材料殼體對聲光彈的爆炸聲光效應(yīng)進行了對比研究。

1 聲光效應(yīng)實驗

1.1 實驗材料及樣品

實驗彈采用圓柱形殼體，直徑33mm，高64mm，壁厚2mm。以高氯酸鉀、鋁粉、粘合劑（66%KClO4+34%Al+3%粘合劑）制成煙火劑，裝藥量為37g。

1.2 實驗原理

采用西安工業(yè)大學(xué)精密光學(xué)測量研究所生產(chǎn)的聲光彈特性測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)是利用聲傳感器和光傳感器獲取聲光彈爆炸時瞬時產(chǎn)生的強噪聲和強閃光信號，獲得的聲壓和光強信號經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過信號處理電路，測量聲光彈爆炸在傳感器所在位置的噪聲級和強閃光強度，如圖1所示。圖1中，當(dāng)聲光彈爆炸后，產(chǎn)生的聲信號和光信號被位于距爆炸點R處的傳感器接收，經(jīng)過處理后獲得傳感器處的噪聲級Lp和強閃光強度I[1]。

圖1 聲光試驗布局圖Fig.1 Layout of the sound and light test

式（1）中：S為傳感器靈敏度；α為一致性系數(shù)。

有效照度為

式（2）中：Δt表示峰值照度25%處的時間t1-t0之差值，單位為s。

若位于R處的聲傳感器輸出電壓信號幅值為V，則R處的瞬時聲壓為

有效聲壓為：

利用公式

可將聲壓和有效聲壓轉(zhuǎn)化為分貝表示形式[2]。

1.3 實驗結(jié)果

實驗測得的光強、聲強數(shù)值見表1～2，實驗彈爆炸的光強——時間曲線如圖2所示。

圖2 各塑料材料聲光彈I——t曲線Fig.2 I——t curve for various plastic materials

表1 不同殼體材料對應(yīng)的光強值Tab.1 Light intensity value of different shell material

表2 不同殼體材料對應(yīng)的聲強值Tab.2 Sound intensity value of different shell materials

2 實驗結(jié)果分析與討論

2.1 塑料材料性能對比分析

塑料材料的選擇需要考慮彈藥的使用環(huán)境、載荷類型、作用方式和使用對象等。作為聲光彈材料，需要有一定的沖擊強度和硬度，適中的拉伸強度和尺寸穩(wěn)定性，同時還要求吸濕性小，不容易被點燃。丙烯腈、丁二烯、苯乙烯組成的三元共聚物（ABS）、聚氯乙烯（PVC）、聚酰胺（PA）的主要性能對比見表3[2]。

表3 3種材料主要性能對比Tab.3 Performance comparison of the three materials

玻璃纖維增強ABS復(fù)合材料是一種新型復(fù)合材料。它保持了ABS材料的力學(xué)性能、電學(xué)性能、熱學(xué)性能和加工性能，而且可以提高復(fù)合材料的彈性模量、剛度和熱變形溫度，降低了材料的線膨脹系數(shù)和成型收縮率，增強了制品尺寸穩(wěn)定性。加入玻璃纖維的性質(zhì)和數(shù)量不同，所得到的玻璃纖維增強ABS的性能亦有所差別，隨著玻璃纖維含量的增多，復(fù)合材料的拉伸強度、耐熱性提高；缺口懸臂梁沖擊強度、無缺口簡支梁沖擊強度、熔體流動速率降低和斷裂伸長率下降。玻璃纖維的含量與改性ABS的關(guān)系如圖3所示[3]。

2.2 強度對聲光效應(yīng)的影響

表1表明采用不同材料的殼體，彈丸爆炸后產(chǎn)生的光強是有差別的，在同等裝藥及外部環(huán)境條件下，采用ABS殼體材料的聲光彈的發(fā)光強度最佳，而采用玻纖增強ABS復(fù)合材料的聲光彈的發(fā)光強度最差，其峰值對比如圖4所示，但光強仍屬于人眼暫時失明范圍之內(nèi)。

圖3 玻纖含量對ABS復(fù)合材料拉伸與沖擊強度的影響Fig.3 The influence of glass fiber content on tensile and impact strength of ABS

圖4 不同殼體材料光強峰值對比Fig.4 Peak light intensity comparison of different shell materials

聲光彈的聲光效應(yīng)來源于閃光劑效能的發(fā)揮。閃光劑發(fā)光是通過黑火藥燃燒時產(chǎn)生的熱輻射熱誘導(dǎo)加熱閃光劑，使閃光劑產(chǎn)生高速翻轉(zhuǎn)運動——碰撞，在一定熱氣壓力下的激勵爆炸發(fā)光。實驗證明閃光劑只是產(chǎn)生單一的激勵爆炸光，而在無壓力條件下也可點燃；在無壓力條件下點燃時，產(chǎn)生的光要比在高壓激勵條件下發(fā)出的光弱得多，這種光的強弱與輻射和壓力等因素有關(guān)[4]。

聯(lián)系閃光劑的作用原理，比較不同材料的性能與發(fā)光強度之間的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)其發(fā)光強度與強度密切相關(guān)，強度太低時，未能達到支持發(fā)光工質(zhì)激勵時所需要的壓力既已破碎，閃光劑未完全燃燒達到反應(yīng)最高溫度，從而不能保證發(fā)光強度；強度太高時，破碎消耗的變形能量增大，而總能量一定，從而釋放的光能減少，發(fā)光強度降低。

在結(jié)構(gòu)一定的條件下，材料的性能是影響聲光彈聲光效應(yīng)的重要因素。沖擊強度高的韌性材料在沖擊載荷的作用下，發(fā)生塑性斷裂而具有較好的聲光效應(yīng)；而沖擊強度低的脆性材料在沖擊載荷作用下，發(fā)生脆性斷裂而具有較差的聲光效應(yīng)[6]。

ABS材料聲光彈產(chǎn)生的聲光效應(yīng)最好，最大能達4.63×107cd；玻纖增強ABS材料聲光彈聲光效應(yīng)最差，最小為1.05×107cd。采用不同材料的聲光彈，爆炸后產(chǎn)生的光強是人眼強光致傷標準106cd的9～45倍左右，屬于人眼暫時失明的損傷閾值范圍之中；發(fā)出的聲響介于159～175dB之間，基本屬于聲光彈的損傷閾值范圍160～180dB[6]之內(nèi)，能夠達到利用聲、光特性的威懾與非致命作用。但不同材料產(chǎn)生的聲光效應(yīng)是有差別的，說明材料的性能是影響聲光效應(yīng)的主要影響因素。

3 結(jié)論

（1）不同塑料材料對聲光彈的影響有所不同，但都能夠達到利用聲、光特性的威懾作用。

（2）強度直接影響著光輻射強度和聲強，以及其持續(xù)時間。ABS所產(chǎn)生的聲光效應(yīng)最佳，玻璃增強ABS所產(chǎn)生的聲光效應(yīng)最差，且差異較大。

[1]王德潤,周聽清,周凱元,等.多元混合燃料一次引爆實驗研究[J].力學(xué)與實踐,2004,26(6): 58-61.

[2]王林杰,買瑞敏.聲光彈藥原理及其損傷閾值研究[C]//中國兵工學(xué)會第 27屆彈藥學(xué)術(shù)年會.張家界:中國兵工學(xué)會,1998.

[3]鄒永春.玻璃纖維增強 ABS復(fù)合材料的研究[D].北京:北京化工大學(xué),2002.

[4]梁斌.裝藥材料對爆破威力影響分析[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報,2007, 27(4) : 135-140.

[5]梁斌,盧永剛,楊世全,等.不同裝藥爆炸威力的數(shù)值模擬及試驗研究[J].火炸藥學(xué)報,2008,31(1):6-11.

[6]Leppanen J. Experiment s and numerical analyses of blast and fragment impacts on concrete [J]. International Journal of Impact Engineering,2005(31):843-860.