Использование акустических колебаний для качественного и количественного анализа ударно-волновых процессов, порождаемых детонацией взрывчатых веществ, газовых смесей и аэрозолей

В работе приводятся экспериментальные данные, полученные при измерении параметров фронта ударной волны в воздухе, и результаты обработки акустических колебаний, полученных при детонации твердых и газообразных взрывчатых веществ с разными значениями работоспособности. Работа проводилась для подтверждения возможности определения фугасных свойств ВВ по параметрам воздушных ударных волн, образующихся при детонации зарядов малой массы (5-100 мг). Такое предположение имеет основание, так как мгновенные значения уровней давления определяются количеством, энергией и скоростью выделения продуктов детонации. Для создания колебаний среды с уровнями, надежно регистрируемыми измерительной аппаратурой, требуется гораздо меньшие количества взрывчатых веществ, чем в стандартных методиках измерения фугасности.

Качественная оценка механического действия взрыва воспламенительного состава и азида свинца. В лабораторных условиях осуществляли испытания термостойкого воспламенительного состава и азида свинца. Фугасные свойства рассматриваемых веществ сильно различны. Изготавливались заряды массой 20 мг в алюминиевой цилиндрической оболочке с давлением прессования 1000 кг/см2. При проведении экспериментов использовался датчик звукового давления – пьезорезистивный микрофон ENDEVCO 8510B – 1 (усилитель 4423 с источником питания 4225) с чувствительностью 27 мв/1000 Па, частой резонанса 55 кГц, динамическим диапазоном 0-12 кПа и электродинамический микрофон AH59 с чувствительностью 18 В/Па. Для калибровки и поверки измерительных микрофонов использовался пистонфон ПП-101, предназначенный

Рис. 2. Результаты взрыва воспламенительного состава и азида свинца

для создания постоянного звукового давления 125 дБ.

Инициирование осуществлялось сбросом груза массой 500 г на копре. Груз сбрасывали с высоты 15 см. Давление фиксировали на расстоянии 0,2 м и 0,6 м от заряда. Звуковой сигнал регистрировали и далее определяли удельную энергию, нормированную по времени

n

E « 2

i = 0

5 2( t + Ati) . (t + A ti) .

Временная диаграмма результата обработки сигнала, полученного с электродинамического микрофона по алгоритму (1) и нормированная величина (1) по мощности азида свинца, представлена на рис. 1.

Качественно сравнить механическое действие взрывов можно по деформации оболочки зарядов образцов. Бризантность и фугасность воспламенительного состава меньше чем у азида свинца, что подтверждается соотношением мощностей звуковых сигналов.

Влияние давления прессования зарядов азида свинца на параметры ударной волны. В [2] представлены результаты сравнения параметров ударных волн при детонации азида свинца разной плотности для зарядов массой 300 г. В [3] описаны методики экспериментов с образцами массой от 5 до 20 мг. В нашем случае использовались образцы азида свинца массой 20 мг с давлением прессования 500 кг/см² и 1200 кг/см² в алюминиевой цилиндрической оболочке диаметром 3 мм и высотой 5 мм. Инициирование осуществлялось тепловым импульсом, генерируемым лазерным диодом и вводимым в вещество посредством оптоволоконного кабеля. Схема эксперимента приведена на рис. 3. В дальней зоне (на расстоянии 0,6 м) сигнал регистрировался электродинамическим микрофоном. На рис. 4 представлены реализации, усредненные по результатам десяти опытов. Сравнивая энергии сигналов (рис. 4а), видно, что механическое действие взрыва образца большей плотности больше чем образца меньшей плотности. Ко-

Рис. 1. Результаты обработки звука детонации азида свинца и воспламенительного состава

личественное сравнение можно выполнить по результатам нормирования по времени и расчета отношения мощности звука детонации одного и другого вещества (рис. 5).

Рис 3. Схема экспериментальной установки

Напряжение, В

1200 кг/см2

2.5

1.5

0.5

-0.5

-1

Усредненные по десяти реализациям сигналы звукового давления, в результате детонации заряда азида свинца массой 20мг, давление прессования 500кг/см2 и 1200 кг/см2 электродинамический микрофон ED – 56 на расстоянии 600мм от точки инициирования

500 кг/см

0.4       0.6       0.8        1

1.2       1.4       1.6       1.8 Время, мс

б)

Рис. 5. а) распределение мощности звука, б) отношение мощностей звука

В2 * 104

а)

1200 кг/см2

500 кг/см2

2.5

1.5

0.5

Время, мс

Накопленные суммы усредненных по десяти измерениям звука на каждом давлении, в результате детонации заряда азида свинца массой 20мг, давление прессования 500кг/см2 и 1200 кг/см2 электродинамический микрофон ED – 56 на расстоянии 600мм от точки инициирования

б)

Рис. 4. а) усредненные звуковые сигналы, б) удельная энергия сигналов

Эксперименты с бризантными веществами. Практический интерес представляет связь параметров ВУВ с параметрами бризантных ВВ. Определялся акустический эквивалент работоспособности по параметрам взрыва опорного вещества (тротил) для ТЭНа, гексогена и тетрила. Испытывались навески массой 50 мг. Инициирование осуществлялось сбросом груза массой 10кг на копре К44-2. Использовался электродинамический микрофон, установленный на расстоянии 3 м от образца. Зарегистрированные сигналы выравались по времени и определялись накопленные суммы квадратов отсчетов сигнала. Относительная работоспособность определялась как:

n

Z ««

B = J=°--- n s2 0i

‘=⁰        ,                          (2)

где s x – сигнал, полученный при «пробе» вещества с искомой работоспособностью , s 0 – сигнал, полученный при «пробе» вещества с эталонной работоспособностью (тротил). На рис. 6 представлен результат эксперимента. На графике отмечены справочные данные относительной работоспособности. На рис.8 приведено сравнение нормированной мощности звуковых сигналов, зарегистрированных при детонации зарядов веществ малой массы и нормированных значений работоспособности, полученных методом Трауцля.

0.9

0.8

0.7

0.6

0.5

0.4

0.3

0.2

0.1

Нормированная мощность звукового сигнала

Нормированная работоспособность методом Трауцля

Рис. 6. Результат обработки эксперимента по определению относительной работоспособности, нормированной по тротилу

Эксперименты с газовой детонацией выполнялись для определения характера зависимости мощности звукового сигнала от количества детонирующей газовой смеси ацетилен-кислород. Параметры покрытий, получаемых детонационным методом определяются количеством и качественным составом газовой смеси [5, 6]. Непрерывный контроль этих свойств является актуальной проблемой и имеет практический интерес. Эксперименты проводились на установке детонационного напыления с длиной ствола 0,6 м и диаметром 20 мм. Фотографии процесса формирования потока частиц приведены на рис. 7.

В качестве датчика использовался микрофон, установленный на расстоянии 1,5 м от среза ствола по нормали к направлению движения газового потока. На каждом режиме выполнялось по 20 опытов (рис. 8). Определялись значения накопленных сумм квадратов отсчетов (рис. 9). По усредненным значениям строилась зависимость максимальных значений от относительной массы газовой смеси (рис. 10). Таким образом, анализируя рис. 10, видно, что удельная энергия сигнала имеет монотонный, близкий к линейному характер зависимости мощности от количества детонирующей газовой смеси.

Рис. 7. Фотографии, полученные высокоскоростной фотокамерой процесса детонационного метания частиц порошка (время экспозиции 20 мкс)

-1

На пря^кение, В

0.5

-0.5

Время, мкс

Рис. 8. Реализации сигналов, полученных с микрофона при детонации газовой смеси ацетилен-кислород

Рис. 9. Накопленные суммы

Выводы: очевидно, что анализ параметров звуковых колебаний, порождаемых детонацией ВВ, имеет практический интерес. В частности, может быть построена методика определения эффективности механического действия взрывчатых материалов, синтезируемых в малых количествах, с массами испытуемых образцов в десятки и сотни раз меньшими, чем требуется в стандартных методиках (от 10 г до 200 г).

Рис. 10. Зависимость удельной энергии сигнала от относительного количества газовой смеси

Возможно упрощение испытаний взрывчатых веществ на фугасное и бризантное действие путем снижения массы испытуемых образцов, материалоемкости и себестоимости. Ярким подтверждением является результат сравнения относительной работоспособности, полученной акустическим методом с результатами испытаний ВВ в свинцовой бомбе (рис. 6). Важен факт качественной корреляции полученных данных со стандартной методикой, так как данные стандартных методов в относительных величинах количественно не совпадают [3]. Результаты, полученные при экспериментах с детонацией газовых смесей, например, позволяют контролировать качество технологического процесса детонационного напыления.

Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации