不同材料對聲光彈聲光效應(yīng)的影響

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(yùn)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(shí)產(chǎn)生的聲強(qiáng)，光強(qiáng)為檢驗(yàn)指標(biāo)，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(jìn)行了對比研究。

1 聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及樣品

實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)瞬時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)噪聲和強(qiáng)閃光信號(hào)，獲得的聲壓和光強(qiáng)信號(hào)經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再經(jīng)過信號(hào)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(qiáng)閃光強(qiáng)度，如圖1所示。圖1中，當(dāng)聲光彈爆炸后，產(chǎn)生的聲信號(hào)和光信號(hào)被位于距爆炸點(diǎn)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(qiáng)閃光強(qiáng)度I[1]。

圖1 聲光試驗(yàn)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(shí)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(hào)幅值為V，則R處的瞬時(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)測得的光強(qiáng)、聲強(qiáng)數(shù)值見表1～2，實(shí)驗(yàn)彈爆炸的光強(qiáng)——時(shí)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(qiáng)值Tab.1 Light intensity value of different shell material

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

2 實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度和硬度，適中的拉伸強(qiáng)度和尺寸穩(wěn)定性，同時(shí)還要求吸濕性小，不容易被點(diǎn)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度、耐熱性提高；缺口懸臂梁沖擊強(qiáng)度、無缺口簡支梁沖擊強(qiáng)度、熔體流動(dòng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度最佳，而采用玻纖增強(qiáng)ABS復(fù)合材料的聲光彈的發(fā)光強(qiáng)度最差，其峰值對比如圖4所示，但光強(qiáng)仍屬于人眼暫時(shí)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)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(yùn)動(dòng)——碰撞，在一定熱氣壓力下的激勵(lì)爆炸發(fā)光。實(shí)驗(yàn)證明閃光劑只是產(chǎn)生單一的激勵(lì)爆炸光，而在無壓力條件下也可點(diǎn)燃；在無壓力條件下點(diǎn)燃時(shí)，產(chǎn)生的光要比在高壓激勵(lì)條件下發(fā)出的光弱得多，這種光的強(qiáng)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(qiáng)度之間的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)其發(fā)光強(qiáng)度與強(qiáng)度密切相關(guān)，強(qiáng)度太低時(shí)，未能達(dá)到支持發(fā)光工質(zhì)激勵(lì)時(shí)所需要的壓力既已破碎，閃光劑未完全燃燒達(dá)到反應(yīng)最高溫度，從而不能保證發(fā)光強(qiáng)度；強(qiáng)度太高時(shí)，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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(dá)4.63×107cd；玻纖增強(qiáng)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(qiáng)是人眼強(qiáng)光致傷標(biāo)準(zhǔn)106cd的9～45倍左右，屬于人眼暫時(shí)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(dá)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(dá)到利用聲、光特性的威懾作用。

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

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