火箭導(dǎo)彈發(fā)射過程人員安全性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建＊

張貴林，李永勝，徐立黃，張波濤，謝家松

（1南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094；2中國兵器工業(yè)集團(tuán)湖北江山重工有限責(zé)任公司，湖北襄樊 441003）

0 引言

火箭導(dǎo)彈發(fā)射時產(chǎn)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(zhǔn)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(fā)射系統(tǒng)方面，人員安全的研究試驗(yàn)都相對較少。研究工作更多地集中在固體火箭發(fā)動機(jī)羽流特征信號檢測、固體火箭發(fā)動機(jī)沖擊信號響應(yīng)譜分析和固體火箭發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)聲波振蕩的數(shù)值研究。通過查閱國內(nèi)外各種衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及國家相關(guān)的軍用標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)的總結(jié)出火箭導(dǎo)彈發(fā)射時各種因素的安全限值，以此作為人體安全評價的標(biāo)準(zhǔn)；另外，通過各種測量規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)的論文文獻(xiàn)資料，確定實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)中傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)以及其它硬件設(shè)施的性能參數(shù)，構(gòu)建了測試系統(tǒng)。

1 振動、噪聲、溫度與沖擊壓力波的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

《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(guī)定；《GB／T 13441.1－2007機(jī)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(jìn)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(diǎn)不舒適；0.5到1 m／s2，相當(dāng)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(qū)域。

火箭彈在連續(xù)發(fā)射時，產(chǎn)生的是尖銳的脈沖噪聲，因此可參照國家軍用標(biāo)準(zhǔn)《GJB 12－84導(dǎo)彈火炮在艦上發(fā)射時的脈沖噪聲對聽覺的安全限值》，該標(biāo)準(zhǔn)中對脈沖噪聲的安全限值規(guī)定如表1所示，T為脈沖噪聲的持續(xù)時間（ms）。

表1 艦艇導(dǎo)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(huán)境通用醫(yī)學(xué)要求》中規(guī)定了溫度的舒適限、工效降低限以及安全耐受限等評價標(biāo)準(zhǔn)，如表2中的溫度環(huán)境的耐受限值（表中作業(yè)服隔熱值1col＝0.155 m2·℃／W，RH為空氣濕度）。

表2 工作艙室溫度環(huán)境耐受要求環(huán)境參數(shù)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(guī)兵器發(fā)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(tǒng)硬件的選配

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括傳感單元、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)記錄儀器以及計算機(jī)軟件系統(tǒng)。振動、噪聲、沖擊波與溫度測量系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。

圖1 測量系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

2.1 振動測量系統(tǒng)

由《GJB 965－1990人體全身振動環(huán)境的測量規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定可知，測量乘員艙內(nèi)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(jī)輸入行駛試驗(yàn)方法》與《QC／T 474－1999客車平順性評價指標(biāo)及限值》對整個振動測量系統(tǒng)中各元件的性能規(guī)定如下：磁帶記錄儀的信噪比應(yīng)優(yōu)于40d B；人體振動測量儀的性能規(guī)格頻率范圍為0.1～1000 Hz，動態(tài)范圍為100～166d B，誤差≤0.5d B。

由以上標(biāo)準(zhǔn)對傳感器的性能指標(biāo)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(yàn)規(guī)程野外振動實(shí)驗(yàn)》中的相關(guān)規(guī)定，可確定傳感器的頻率范圍為0.1～1000 Hz，動態(tài)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(yīng)該優(yōu)于40d B；前置放大器頻寬0.01～1000 Hz，另外還要靈敏度高，動態(tài)范圍大，低頻響應(yīng)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(yīng)該布置在與人接觸的支撐界面處，即乘員艙地板中央、司機(jī)座椅墊的中部。地板測點(diǎn)傳感器應(yīng)置于雙腳之間。

2.2 沖擊與噪聲測量系統(tǒng)

《GJB349.28－1990常規(guī)兵器定型試驗(yàn)方法 炮口沖擊波超壓測試》中規(guī)定傳感器的技術(shù)要求如下：用于沖擊波測量的傳感器低頻響應(yīng)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(yīng)大于75 Hz；低頻下限截止頻率應(yīng)為0 Hz，最大不能超過4 Hz；溫度效應(yīng)??；傳感器敏感元件的直徑應(yīng)盡可能?。粵_擊波傳感器的軸向加速度靈敏度應(yīng)不大于0.1014k Pa／g，橫 向 加 速 度 靈 敏 度 應(yīng) 不 大 于0.069k Pa／g；敏感元件的光效應(yīng)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(yīng)滯后時間盡可能小，漂移現(xiàn)象不明顯；傳感器（含所使用的儀器在內(nèi)）在測量前后都要進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)校準(zhǔn)，若動態(tài)校準(zhǔn)與靜態(tài)校準(zhǔn)出入較大，以動態(tài)校準(zhǔn)為準(zhǔn)。根據(jù)實(shí)際情況，沖擊波傳感器的動態(tài)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(guī)兵器發(fā)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(guī)定：用于測量噪聲的傳聲器頻率響應(yīng)在0.02～70k Hz范圍內(nèi)，平坦動態(tài)響應(yīng)應(yīng)優(yōu)于±2d B，上升時間應(yīng)不大于18μs，線性動態(tài)范圍應(yīng)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(yàn)規(guī)程 噪聲測量》中規(guī)定：整個測量系統(tǒng)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(yīng)符合GB3785－1983聲級計的電、聲性能及測試方法中的有關(guān)規(guī)定，整個測量系統(tǒng)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(tài)范圍大；頻率響應(yīng)在20～20000 Hz平直，至少要求在所分析的頻率范圍內(nèi)有平直的頻率響應(yīng)［3］。

沖擊波與噪聲測量系統(tǒng)中的磁帶記錄儀的頻響應(yīng)優(yōu)于0～40k Hz，頻響衰減特性為36d B／倍頻程，其時間分辨率不應(yīng)大于1μs，記錄系統(tǒng)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(tài)記錄儀時，記錄采樣率不少于200千樣點(diǎn)／s，模數(shù)轉(zhuǎn)換優(yōu)于8位［2］。

聲級計與沖擊波傳感器應(yīng)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(tǒng)

由《GJB 898－90工作艙（室）溫度環(huán)境通用醫(yī)學(xué)要求》中環(huán)境溫度要求及對火箭發(fā)射時的實(shí)際溫度輻射的大致估計，確定溫度測量范圍為±60℃，時間常數(shù)小于30 ms，采樣頻率可確定為10k Hz，共采用6個通道。數(shù)據(jù)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(yīng)該均勻的布置在距離臉部以及身體表面5～10c m處。

根據(jù)測量系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和實(shí)驗(yàn)的實(shí)際環(huán)境，測試綜合誤差為5%～10%。測試過程中必須對整個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行有效的防護(hù)，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(jìn)行適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)，以免受沖擊波的沖擊而損壞，近場的電纜還要進(jìn)行適當(dāng)固定，以防電纜出現(xiàn)振動噪聲影響測量結(jié)果。

3 結(jié)論

現(xiàn)在越來越注重人員安全，人 機(jī) 環(huán)境的設(shè)計也越來越重要，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)評價人員安全也顯得越來越重要，因此對火箭發(fā)射系統(tǒng)建立振動、噪聲、溫度以及壓力波實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)是十分重要的。對火箭發(fā)射過程中人員承受的振動、噪聲、高溫以及沖擊波進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，得到各種物理量的數(shù)據(jù)分布規(guī)律，根據(jù)各種人員耐受標(biāo)準(zhǔn)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(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2006.

［2］ 孫忠良.GJB 349.28－1990常規(guī)兵器定型試驗(yàn)方法炮口沖擊波超壓測試［S］.北京：國防科工委軍標(biāo)出版發(fā)行部，1990.

［3］ 王佐民.噪聲與振動測量［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.