反蛙人次聲武器次聲場特征研究

張洪剛，謝　勇，黃柏佳

(1.海軍工程大學(xué) 兵器工程系，武漢　430033; 2. 91388部隊(duì)，廣東 湛江　524000)

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反蛙人次聲武器次聲場特征研究

張洪剛1，謝勇2，黃柏佳1

(1.海軍工程大學(xué) 兵器工程系，武漢430033; 2. 91388部隊(duì)，廣東 湛江524000)

由于武裝蛙人在小規(guī)模海上沖突中的威脅越來越大,對次聲武器應(yīng)用于反蛙人作戰(zhàn)進(jìn)行了研究。分析了次聲的損傷機(jī)理及殺傷閾值，對次聲場的分布特征進(jìn)行了仿真，并研究了大功率次聲源技術(shù)。

次聲；武器；蛙人

本文引用格式：張洪剛，謝勇，黃柏佳.反蛙人次聲武器次聲場特征研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(8):11-14.

隨著人類社會(huì)的不斷發(fā)展，大規(guī)模武裝沖突發(fā)生的概率越來越低，各種形式的非對稱局部沖突逐漸成為主流。在低烈度海上沖突中，武裝蛙人的威脅越來越大，其對海上石油鉆井平臺(tái)、重要港口、孤立島嶼等目標(biāo)造成了嚴(yán)重威脅。

世界各國一直致力于研發(fā)高效的反蛙人武器裝備，該類裝備通常由探測裝置與攻擊武器組成，首先通過聲納等設(shè)備發(fā)現(xiàn)蛙人目標(biāo)，再利用爆破、電擊等攻擊武器消滅或驅(qū)離目標(biāo)。但是，由于蛙人目標(biāo)具有隱蔽性好、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、高度智能的特點(diǎn)，導(dǎo)致該類武器的實(shí)際探測與攻擊效果有限。

大量研究表明，一定功率和頻率的次聲波可以對人體造成傷害，次聲武器也是各國重點(diǎn)研究的新概念武器，據(jù)報(bào)道美國等西方國家已進(jìn)行了大量次聲武器的研制與試驗(yàn)。如果將次聲武器應(yīng)用于反蛙人作戰(zhàn)，由于其具有殺傷范圍大、非致命、反應(yīng)迅速及使用成本低等特點(diǎn)，必將對重要防護(hù)區(qū)域的反蛙人作戰(zhàn)提供巨大幫助，具有重要的軍事意義。反蛙人次聲武器是一種新概念武器，其需要解決的關(guān)鍵技術(shù)包括次聲波的頻率、強(qiáng)度閾值的選??；不同海區(qū)、不同水文條件下次聲場的分布特征及其安全控制技術(shù)；穩(wěn)定可控的大功率次聲源技術(shù)等，作者對以上關(guān)鍵技術(shù)工程實(shí)現(xiàn)的可行性進(jìn)行了探討與研究。

1　次聲波的特點(diǎn)及對人體的損傷機(jī)理

1.1什么是次聲

次聲一般是指頻率在10-4～2×10-4Hz的聲波，次聲波不能引起人耳的聽覺反應(yīng)，但是次聲波基本的物理性質(zhì)與其他頻段的聲波是一致的。許多自然現(xiàn)象如大氣湍流、地震、火山爆發(fā)、閃電、臺(tái)風(fēng)等都伴隨有次聲波的發(fā)生，在與人類有關(guān)的活動(dòng)中，如核爆炸、火箭發(fā)射、高鐵、飛馳的車輛甚至鼓風(fēng)機(jī)、攪拌機(jī)等也會(huì)產(chǎn)生次聲波，其聲壓級水平可以達(dá)到90～135dB。次聲波的頻率低、波長長，因此傳播過程中衰減很小，次聲波既能穿透空氣、海水、土壤，也能穿透鋼筋混凝土、艦船殼體等。次聲在人們的生活環(huán)境中普遍存在，低強(qiáng)度的次聲不會(huì)影響人類的正常生活，但是當(dāng)次聲的能級增大到一定程度時(shí)就可能對人類造成不同程度的傷害，因此人們開始致力于次聲武器的研究[1]。

1.2次聲對人體的損傷機(jī)理

當(dāng)人體受到低強(qiáng)度次聲影響后，主要表現(xiàn)為非特異性的應(yīng)激反應(yīng)及神經(jīng)內(nèi)分泌失調(diào)癥狀，如煩躁、耳痛、頭痛、惡心及平衡失調(diào)等，高強(qiáng)度的次聲可導(dǎo)致人體嚴(yán)重的生理變化，甚至死亡。

研究表明，高強(qiáng)度次聲對人體的危害主要是共振效應(yīng)引起的。人體可以看作是一個(gè)機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)，各器官及其組成部分都有其固有的振動(dòng)頻率，這種頻率稱為人體阿爾法節(jié)律。比如人體頭部的共振頻率為8～12 Hz，胸腔為4～6 Hz，心臟為5 Hz，腹腔為6～9 Hz。這些固有頻律正好在次聲的頻率范圍內(nèi)，當(dāng)作用于人體的次聲頻率與某一部位的共振頻率接近或相等時(shí)即會(huì)引起生物共振反應(yīng)，一方面能刺激軀體感受器，使人神經(jīng)錯(cuò)亂產(chǎn)生癲狂；另一方面使人臟器產(chǎn)生強(qiáng)烈共振，產(chǎn)生惡心、嘔吐及強(qiáng)烈不適感，失去戰(zhàn)斗力，甚至引起臟器的永久性損傷以至危及生命[2]。

1.3次聲武器效能的影響因素

次聲武器對人體的傷害效果取決于以下3個(gè)因素：① 次聲的頻率；② 次聲暴露時(shí)間的長短；③ 次聲源強(qiáng)度的大小。關(guān)于第一個(gè)因素可以在武器運(yùn)用時(shí)選定某一固定頻率，也可以產(chǎn)生多個(gè)頻率的疊加信號，以增強(qiáng)毀傷效果。后兩個(gè)因素有密切關(guān)系，對于次聲武器，要求在盡可能短的時(shí)間內(nèi)予以殺傷，這個(gè)最大時(shí)間取決于對目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)距離及目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度。

研究表明，次聲波要使人體產(chǎn)生生理反映，其聲壓級要高于某一閾值，一些國家從防護(hù)的角度開展次聲暴露限值的研究，并制定了次聲暴露限值標(biāo)準(zhǔn)。如美國環(huán)保局提出：次聲強(qiáng)度在130 dB以下不會(huì)構(gòu)成對公眾的危害；德國制定的工業(yè)噪聲源附近的次聲和低頻噪聲限值見表1所示；日本在人群調(diào)查、個(gè)案研究和實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上提出對居住和工作環(huán)境的次聲限制為不超過120 dB。1973年巴黎國際次聲專業(yè)會(huì)議提出：2 Hz次聲的允許暴露界限是130 dB，4 Hz是128 dB，8 Hz是125 dB，16 Hz是120 dB。

表1　工業(yè)噪聲源附近的次聲和低頻噪聲夜晚

科學(xué)家們在進(jìn)行大量研究后普遍認(rèn)為，次聲強(qiáng)度在140 dB左右時(shí)，即使作用時(shí)間較短也會(huì)引起人體內(nèi)臟器官機(jī)能改變。當(dāng)次聲強(qiáng)度上升到150 dB時(shí)會(huì)引起人體內(nèi)某些器官產(chǎn)生病變，如果次聲強(qiáng)度再升高，不僅會(huì)使人生理病理方面產(chǎn)生明顯變化，甚至?xí)?dǎo)致人傷亡。有國外學(xué)者認(rèn)為150 dB次聲作用下，人體最多可耐受2～3 min。因此，目前一般把150 dB的聲強(qiáng)級定為人體承受次聲的安全極限。

次聲武器對人體的殺傷效果缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持，但是可以通過對動(dòng)物的實(shí)驗(yàn)間接證明，如在對狗、猴子和狒狒等動(dòng)物進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，狗在172 dB高強(qiáng)度次聲波的作用下，呼吸顯著困難，幾乎出現(xiàn)窒息。猴子和狒狒的耐受性相對好些，但呼吸率也下降30%，如果聲強(qiáng)再增高，比如達(dá)到195 dB以上時(shí)，用6～9 Hz的次聲波對動(dòng)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，它們會(huì)立刻死亡[3]。

2　次聲場的分布特征

2.1次聲波的能量特征

聲波在空氣和海水中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生能量損失，聲波會(huì)越來越弱，發(fā)生傳播損失主要是擴(kuò)展損失和吸收損失，其中吸收損失隨聲波頻率的降低而減小，這也是低頻聲波在海洋中傳播距離更大的原因。如果擴(kuò)展損失采用柱面擴(kuò)展的假設(shè)(傳播損失TL=10logr，r的單位為m)并忽略次聲波的吸收損失，可以得到在距聲源1 000 m 的距離時(shí)，次聲波強(qiáng)度會(huì)降低30 dB。由此可以認(rèn)為，在開闊水域次聲武器的殺傷范圍一般在數(shù)百米。在半封閉或接近全封閉形狀的港口、碼頭區(qū)域，次聲武器產(chǎn)生的次聲場分布會(huì)受到海灣幾何形狀、海區(qū)深度、海底底質(zhì)、海況等的影響，需要具體進(jìn)行仿真分析。另外還可以利用次聲波的反射、相干特性進(jìn)行聲聚焦，控制殺傷區(qū)域，達(dá)到反蛙人的目的。

2.2聲波由水中透射到空氣的能量損失

海水中傳播的聲波可以透過分界面?zhèn)鞑サ娇諝庵?，從而產(chǎn)生空氣中的衍生次聲波場，如果從海面透射的次聲波達(dá)到一定強(qiáng)度，就會(huì)對己方人員造成傷害。

當(dāng)聲波從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生反射和折射，反射波按一定的角度反射回原介質(zhì)中，折射波透入第二種介質(zhì)。反射波符合式(1)的反射定律，折射波符合式(2)的折射定律:

反射定律

(1)

折射定律

(2)

式(2) 即著名的斯奈爾定律，其中:θi、θr、θt分別是入射角、反射角、折射角；c1、c2分別是第一種、第二種介質(zhì)中的聲速。

如果聲波由海水透射入空氣中，那么在海平面會(huì)發(fā)生反射與折射。那么反射系數(shù)V(分界面上反射波聲壓與入射波聲壓之比)與折射系數(shù)W分別為

那么，若入射聲波強(qiáng)度為Ii，折射聲波強(qiáng)度為It，則透射損失為[4]

(5)

已知海水的特征阻抗Z1=ρ1c1≈1.5×106Pa·s/m，空氣的特征阻抗Z2=ρ2c2≈415 Pa·s/m,當(dāng)聲波垂直射入空氣時(shí)，透射損失的計(jì)算按式(6)，損失值約為30 dB。透射損失隨入射角θi的變化關(guān)系如圖1所示，可見垂直入射時(shí)透射損失最小，隨著入射角度的增大，透射損失變大，當(dāng)入射角度為60°時(shí)，透射損失約為35 dB。

(6)

圖1　透射損失隨入射角的變化關(guān)系

2.3聲波透過艦船殼體的透射損失

次聲的穿透能力強(qiáng)，可穿過艦船殼體透射到艦船艙室中，如果艦船距離次聲源較近，那么透射入船體的次聲波就會(huì)對船員造成傷害。透射問題與反射、折射問題類似，定義透射系數(shù)T參考式(7)，I1是第一種介質(zhì)的入射聲強(qiáng)，I3是第三種介質(zhì)中的透射聲強(qiáng)。

(7)

當(dāng)聲波從海水透射入艦船艙室，第一種介質(zhì)是海水， 第二種介質(zhì)是鋼板，第三種介質(zhì)是空氣。聲波垂直入射時(shí)的透射系數(shù)見式(8)，k2=ω/c2為第二種介質(zhì)中的波數(shù)，d為第二種介質(zhì)的厚度。

(8)

由于次聲波長非常大，因此有k2d≤1，那么次聲波通過艦船殼體的透射損失可近似為

(9)

式(9)與式(5)在聲波垂直入射條件下是相同的，即透射損失約為30dB。在斜入射條件下，聲波在固體中傳播時(shí)不僅有壓縮波，還有切變波，但是由于中間層厚度遠(yuǎn)小于次聲波長，因此次聲波在中間層的損失很小，透射損失規(guī)律與圖1相似。

對次聲場分布特征的仿真計(jì)算表明，一方面次聲武器由于是面殺傷武器，其作用范圍較大，效率高于點(diǎn)殺傷的水下槍械、深彈等；另一方面，次聲波透射入空氣、艦船艙室后至少衰減30dB，大大降低了次聲武器對本方人員造成傷害的風(fēng)險(xiǎn)，因此相對于空氣中的次聲武器，水下次聲武器更容易實(shí)現(xiàn)。

3　大功率次聲源的研究現(xiàn)狀

工作穩(wěn)定、可靠的武器級的次聲發(fā)生裝置是反蛙人次聲武器系統(tǒng)的關(guān)鍵，這類次聲源需要滿足的關(guān)鍵技術(shù)主要是足夠大的輻射聲功率和精確的次聲頻率控制，某些情況下還要求有好的指向性。當(dāng)前聲納等水下聲系統(tǒng)都是采用基于壓電效應(yīng)的水聲換能器產(chǎn)生聲波。在0～20 Hz的次聲頻率范圍，雖然可以利用大量換能器組成陣列的方式產(chǎn)生次聲波[5-6]，但是其功率和體積都過大，難以達(dá)到武器級次聲源的要求。

目前世界上很多國家都在進(jìn)行人工次聲源的開發(fā)研究，其發(fā)聲原理也大相徑庭。從聲波產(chǎn)生的方式看主要有電發(fā)聲、爆炸發(fā)聲和流體發(fā)聲3大類。其中流體發(fā)聲是指在一定的壓力下將壓縮空氣、高壓蒸汽或高壓燃?xì)獾攘黧w控制排出并激發(fā)周圍媒質(zhì)的振動(dòng)，形成所需頻段和強(qiáng)度的連續(xù)聲波，目前研制成功的次聲源大多基于該方式[7-8]。

例如，國外的某型大功率、超低頻率次聲源(如圖2所示)采用稀土永磁技術(shù)，利用放在非磁性殼體內(nèi)的閉環(huán)內(nèi)部壓縮空氣壓縮系統(tǒng)進(jìn)行壓力補(bǔ)償，可以產(chǎn)生4～600 Hz，平均聲壓級達(dá)到188 dB的輻射聲波，并可穩(wěn)定工作于20 m深的水下。

圖2　某型大功率超低頻發(fā)射換能器

4　結(jié)論

傳統(tǒng)反蛙人武器對于蛙人目標(biāo)不容易進(jìn)行精確探測與攻擊，本文對次聲這種新概念武器應(yīng)用于反蛙人作戰(zhàn)的可行性進(jìn)行了探討，分析了次聲波對人體的損傷機(jī)理及殺傷閾值，對次聲波在水下的分布特征進(jìn)行了初步仿真，并介紹了武器級次聲源的發(fā)展現(xiàn)狀。結(jié)果表明，將次聲武器應(yīng)用于反蛙人作戰(zhàn)是具備可行性的，相對于傳統(tǒng)武器，次聲武器具有殺傷范圍大、反應(yīng)迅速及使用成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，具有很好的發(fā)展前景。本研究只是對反蛙人次聲武器實(shí)現(xiàn)的可行性進(jìn)行了探討，對于次聲武器工程實(shí)現(xiàn)時(shí)的損傷效果、殺傷范圍、不同條件下次聲場的分布特征等，還需要進(jìn)行深入研究。

[1]張彥敏，佟盛.反蛙人技術(shù)在港口監(jiān)控中的戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用[J].艦船科學(xué)技術(shù),2008，30(6):168-171.

[2]趙選科，王蓮芬，何俊發(fā).次聲波及次聲武器[J].大學(xué)物理,2005，24(25):57-59.

[3]郭毅軍，蔡紹皙，趙志強(qiáng),等.次聲波與次聲武器[J].生物學(xué)通報(bào),2007，42(7):3-5.

[4]許肖梅.聲學(xué)基礎(chǔ)[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[5]肖峰.現(xiàn)場可控非致命的次聲武器研究[J].兵工學(xué)報(bào),2002，23(3):426-429.

[6]張娜，喬衛(wèi)東.基于聲學(xué)參量陣的次聲波定向仿真技術(shù)研究[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào),2012，28(3):356-360.

[7]張兵.葉片式次聲發(fā)生裝置研究[D].長沙：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2011.

[8]董明榮，陳克安，許學(xué)忠,等.高聲強(qiáng)次聲產(chǎn)生裝置聲場特性實(shí)驗(yàn)研究[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào),2013，26(3):404-409.

(責(zé)任編輯楊繼森)

Research on Infrasound Field Characteristic of Anti-Diver Infrasound Weapons

ZHANG Hong-gang1，XIE Yong2, HUANG Bai-jia1

(1.Department of Weapon Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China;2.The No. 91388thTroop of PLA, Zhanjiang 524000, China)

Because the dangerous of underwater divers is more serious in low level sea battles, the practicality of infrasound wave weapon applied on anti-diver battle was studied. The fundamental and threshold of damage on divers was analyzed, the distribution of underwater infrasound field was simulated and high power infrasound source was researched.

infrasound wave; weapon; underwater diver

2016-02-17；

2016-03-08

張洪剛(1980—)，男，博士，講師，主要從事水聲工程，水中兵器自導(dǎo)技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2016.08.003

format:ZHANG Hong-gang，XIE Yong, HUANG Bai-jia.Research on Infrasound Field Characteristic of Anti-Diver Infrasound Weapons[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(8):11-14.

O425

A

2096-2304(2016)08-0011-04

【裝備理論與裝備技術(shù)】