水下冲击波和空气冲击波传播速度及物理参数的对比研究

水下冲击波和空气冲击波传播速度及物理参数的对比研究

目的：对比研究水下冲击波和空气冲击波的传播速度和物理参数。
方 法：分别用200、500和1000g进行水下和空气中爆炸，用美国某公司生产的压力传感器测定冲击波物理参数，分析冲击波的传播速度、超压峰值、正向持续时间和冲量。
结 果：水下冲击波传播速度快、峰值压力高、冲量较大，但持续时间短，同空气冲击波相比，传播速度为空气冲击波的3.70～4.30倍，超压峰值为227.15～247.86倍，冲量为8.48～11.80倍。
结 论：水下冲击波较空气冲击波传播速度快，峰值压力高，冲量大，这对评价水下冲击伤伤情和FZ有一定指导意义。
关键词：水下冲击波；空气冲击波；传播速度；物理参数

   爆炸冲击波借助于介质如空气、水、固体向周围传分别向周围传播，随介质密度的不同，其冲击波的传播规律和致伤效应也可能不同。水的密度约为空气的800倍，且无明显的压缩性和稀疏性，因此水下冲击波的传播规律可能与空气中的传播规律不同，但有关这方面的研究文献报道不多。本研究采用200、500和1000g进行水下和空气中爆炸，对比研究水下冲击波和空气冲击波的传播速度及物理参数，旨在为冲击伤的伤情评定和FZ提供一定的依据。   

1  材料与方法
1.1 质量和起爆方式
   本研究采用的为两个半球构成的球，质量分别为200、500和1000g，装药密度为（1.643±0.005）g/cm3，传爆药柱为泰安。水下爆炸时**入水深度为3m；空气中爆炸时，**离地面高1.25m。用高压瞬发（24-1-3C）通过传爆药柱药球ZX起爆致水下冲击波和空气冲击波。本研究共进行200g和1000g 水下爆炸各1次，1000g 空气中爆炸2次。
1.2 冲击波物理参数测试
    水下爆破时，使用的传感器为美国某公司的内装式压电传感器138M124 2个、138A052个和138A013个，传感器入水深度为0.3m，分别布放于离爆心两侧3.50、5.00、7.50、8.75、10.00、12.50、15.50和17.50处。数据采集和处理系统为2台4路HP54540数字示波器和某信号调理模块F482A20。空气爆炸时，压力传感器采用美国某公司的传感器离地面高0.8米，布放距离同水下冲击波。数据采集装置使用美国10tech公司的WaveBook/512。F482A20和WaveBook/512均使用8个通道。

1.3 观测指标
   通过对每个压力信号波形进行处理和分析，得到每个测点的冲击波到达时间（tb）、冲击波峰压(Pm)、正向持续时间（T +）和正向冲量（I+），并根据冲击波到达时间计算每个测点的冲击波速度（m/s）。

2 结果
2.1 冲击波传播速度
   水下冲击波和空气冲击波的传播速度详见表1和表2。水下冲击波与空气冲击波传播水下爆速度的比值详见表3。由表1至表3可见，对于相同质量的爆炸所形成的冲击波，在距爆心相同距离处，水下冲击波的传播速度均比空气中冲击波的传播速度快。

2.2 冲击波物理参数
    距爆心5m处实测的水下和空气冲击波波形见图1和图2。200、500和1000g水下和空气中爆炸的冲击波压力峰值、正向持续时间和冲量详见表4～表6，两者物理参数的对比详见表7。表4～表7可见，对于相同质量的爆炸所形成的冲击波，在距爆心相同距离处，水下冲击波峰值压力远比空气中冲击波高得多，正向持续时间比空气中冲击波短，而正向冲量比空气中冲击波大。

3 讨 论
   冲击波通过介质向周围传播，由于介质密度不同，其传播速度也有所不同。水的密度约为空气的800倍，因此与空气冲击波相比，水下冲击波传播的速度快，传播的距离也远得多。文献报道水下冲击波的传播速度约为空气波传播速度的3～4倍。本研究的结果表明，水下冲击波的传播速度为空气冲击波传播速度的3.70～4.30倍，与文献报道的结果大致相近。
     

   由于水下冲击波较空气冲击波传播的速度快、距离远，因此，同质量水下爆炸与空气中爆炸相比，同距离的压力峰值相差非常显著。文献报道，同距离的压力值可相差200倍左右本研究结果表明，水下冲击波物理参数具有压力峰值高、正压持续时间短和冲量较大的特点，同质量水下爆炸与空气中爆炸相比，压力峰值前者是后者的227.15～247.86倍，冲量前者是后者的8.48～11.80倍，与文献报道的结果也大致相近。
   由于水下冲击波具有峰值压力高和冲量较大的特点，因此水下冲击伤伤情通常要较空气冲击波严重得多。Phillips报道，水下冲击波的致死范围约为空气冲击波致死范围的9倍。杨志焕等报道，0.5kg水下爆炸的致死边界相当于40kg 空气中爆炸的致死边界。在伤情方面，水下冲击伤也远较空气冲击伤严重得多，4)1kg水下爆炸，距爆心5m的动物均有严重的肺出血和肺水肿，有的还伴有胃肠道穿孔和肝脾破裂，而同质量空气中爆炸，同距离仅个别动物有轻微肺损伤，也未见腹腔内脏器损伤，损伤程度可相差3～4个等级。

   空气中冲击波主要由冲击波的超压、动压和负压致伤，而本研究实测波形显示水下冲击波无负压，动压也很小，因此水下冲击波主要由冲击波超压致伤。但与空气冲击波相比，水下冲击波致伤时胃肠道损伤发生率较高，且伤情重，甚至可发生胃肠道穿孔。其原因可能与水下冲击波传至水与空气的界面时会反射回来而在水下形成拉伸波，而拉伸波对于浸没于水下较深的腹部的入射冲击波正向持续时间的截断较少，即腹部荷载的冲量较大有关。因此，水下爆炸时要高度重视腹腔脏器损伤的诊治。