低频声波定向打击技术发展研究

第一章绪论丰富、增多非致命打击武器装备的技术手段，全面防控不法分子暴乱暴恐事故，构建新型非致命武器提升未来战场的作战手段。譬如使用强声拒止、声波调控、声波目标探测技术，实现多种技术并用，防卫打击手段多样化，高效保证人民财产安全和维护国家领土主权完整。声波技术非致命武器的研究可以弥补单一手段在各种复杂环境下存在的弊端，突破传统的从单一手段向多面体、全方位的应用场合转变，获得一个更加多元的非致命打击模式。开展低频声波非致命打击技术的研究有利于促进武警部队声学非致命武器发展，提高现有声学装备效能水平，丰富非致命处置技术手段，有利于促进武警部队新质战斗力的生成。1.1研究背景近些年，非传统安全威胁日益增多，常规手段已然不满足更好地处置各类事件，声波技术作为新质手段，它可以实现面打击，远距离打击，并且无污染，后效小。而低频声波又有着更多的技术发展前景，功率大，衰减小，距离远，正是我们武警部队所需要的技术手段，我们应积极采取行动获取先发优势，为下一代军事能力奠定基础。1.2研究目的及意义在日常生活中时会由于邻居扰民而产生矛盾，指的是由于对方制造的声响过大，对周围人群造成干扰，从宏观角度来说就是一种噪音。它对人的精神和心理造成负面影响，这也是我们为什么会讨厌，一些尖锐刺耳的声音。与之相比，声波武器产生的噪音更强。人体在120分贝的噪音下，身体会感觉到极度不适感，这时候其实已经对人体的视听系统造成损伤，一旦分贝持续上升至150，会造成人体由于无法承受负荷而出现鼓膜破裂，严重的情况甚至导致丧失听力的现象，严重时，还会导致人的精神发生失常。在人们的传统认知中，认为声音来自四面八方，因为声音本身能够躲避障碍物，同时覆盖范围极大，声波同样如此，同时声波在某种程度上更不易，被水或者空气吸收掉，它能持续很长的时间。在超强声波的干扰和影响下，人体会出现剧烈的生理反应，首先内脏器官出现剧烈共振效应，而后出现晕眩、恶心的反应，一旦长时间处于此种环境下，人体内脏会呈现不同程度的损伤，最后血管破裂致死，这就是声波的力量。进入本世纪以来，全球性战争爆发的概率持续降低，但依然存在不少局部战争，国际社会的安全与稳定受到越来越严峻的挑战，大规模武装冲突开始逐渐减少，相对强度较低的局部战争却屡有发生，基于此，军队如果在战争中使用大规模杀伤性武器，无论战果如何，将会造成不同民族之间长期的矛盾与仇恨。基于此，在新型国际战略发展的时代背景下，小规模或低强度的局部战略和非战争军事行动对非致命武器的需求不断加强。丰富、增多非致命打击武器装备的技术手段，全面防控不法分子暴乱暴恐事故，构建新型非致命武器提升未来战场的作战手段。譬如使用强声拒止、声波调控、声波目标探测技术，实现多种技术并用，防卫打击手段多样化，高效保证人民财产安全和维护国家领土主权完整。声波技术非致命武器的研究可以弥补单一手段在各种复杂环境下存在的弊端，突破传统的从单一手段向多面体、全方位的应用场合转变，获得一个更加多元的非致命打击模式。但是随着科学技术的发展，发现中高频声波譬如超声波其在水底下传播的距离远远强于空气传播，不过由于其波长较短，放置于空气中容易破损，从而出现散射的现象，在传播距离上远不如低频声和可听声，但是波长在某种程度更能得到异性的生能，能够广泛应用于碎石、杀菌、清洗等领域，同时在工学和医学领域也产生一定价值。因此开展低频声波非致命打击技术的研究有利于促进武警部队声学非致命武器发展，提高现有声学装备效能水平，丰富非致命处置技术手段，有利于促进武警部队新质战斗力的生成。1.3国内外研究现状1.3.1国外强声技术及装备的发展现状早在本世纪初，就有专家研究提到，声波同样是一种武器，如次声波和超声波能够让人直接丧命。上世纪70年代初期，法国研制出一种专门用于发射强次声波的发射器，其能够在对5公里以内的人造成杀伤，中国在这方面的研究和发展同样取得一定的成绩。2006年声波武器已经发展成为了可以摧毁鱼雷定向脉冲的声波武器，让舰艇具备全方位拦截鱼雷的能力，次声波是所有声波武器中关注度最高的武器，其具备极强的灵活性和隐蔽性，适用于突袭战，人体肉眼无法观测到声波，甚至耳朵也无法感知，又加上它的传播速度非常快，传播距离非常远，因此一旦使声波投入到战争中，危害将变得非常残酷，并且由于它的难以预测与难以捉摸，这类声波武器也被成为无情杀手，哪怕是海底的舰艇当中也能穿透，更别说航母了，随着南海局势越来越紧张，我国虽然有了自己的航母，但是比起美国的航母技术来说仍是比较落后的，而声波武器为我们带来了反击的机会，再加上美国有着属于自己的核动力航母，我国虽然说在技术上还没有追上，只有小型一号的玲珑一号，为了加强我国的国防于海防实力，我国也是着手研制出了利用声波作为武器，它利用低频率声波对人类不会产生致命伤害却能都抓捕暴徒，因为外形像枪，并且还有枪托和扳机等，因此也被外界称为声波枪，科学家指出这种武器是用中科院理化技术研究所所研发而来，它并非想要去摧毁人体，而是利用聚焦的低频声波在鼓膜、眼球、肝脏等人体的器官当中产生振动，从而引起暴徒的身体不适，能够带来眩晕、恶心、四肢无力等种种难受的体验，是利用声波发展而来的非致命武器，除了战争之外，各大国家和势力都在找寻一种非接触、非致命性的软武器，它可以用来进行反恐治安作案，就比如说以前用的催泪弹、高压水枪等等。2004年美国研究出了这种武器，并且已经在警方中实行反恐工作，不过我国的声波枪与美国的声波武器有些许不同，后者能够发出超高音以及高音调的电子叫声，为此美国曾经有记者体验该武器，当声波武器启动时，感觉自己的大脑快要爆炸，是一次非常糟糕的体验。美国陆地上的声波武器声波武器的研制历经数十年历史，上世纪40年代，英德之间战乱期间，德军曾有过这样的想法，召集一批音乐家，录制特定的音乐唱片，其中加入部分次声，由此可见，此时人类已经认知到次声的存在，一旦将其作为武器，将对人体造成不同程度的伤害。但最后，因为一些个别的原因，这个计划并没有实施完成，但是在此事之后，德国的科学家却成功地进行了次声武器实验。在二战期间，苏联也曾有过这样的操作，他们的驾驶员驾驶飞机飞到德国兵驻扎上空，并通过重复不断的超低空飞行，目的在于制造次声，它能对德军造成一定伤害。直到二战结束之后，法国在这方面开始加大研发力度，取得了领先全球的成果。1957年，法国的弗拉基米尔加夫雷奥在家开空调的时候，突发发现空调内部产生一种奇怪的声波，一旦其小于20赫兹，人体会和马达一样产生同样的波动，一旦持续时间过长，人体感到极大的不适感，甚至对人体造成一定损伤。基于此，弗拉基米尔加夫雷奥基于这个发现，研究发明了能够发射次声波的发射器，并不断扩大其体积，当再次发出次声波，造成的影响和威力更大，甚至对周边的房屋都出现震动。这个发明让全球为之一振，开始关注到次声波这种武器，为了加强自身的国防力量，吸引各国的关注。1.3.2国内强声技术及装备的发展现状我国通过低频声波引发人体共振，但是我国的声波枪还没有正式的名称，而且也只是尽快的将其转化为实质的装备，目前在特战部队和武警部队进行应用，用于反恐和特战作战。图为声波枪样图就比如说为了更好地维护南海主权，在2013年053H1型导弹护卫舰拆除了他们两座37mm的副炮，转而安装了一座大型的远距离定向声波发射装置，它能对好几公里之外的目标进行压制，同时它还有一座76mm的舰炮，2门30mm的机关枪以及两挺14.5mm的高射机枪，在同类执法船中它的火力是最猛的，因此它能够进行巡逻执法救援等多项任务，为此3901不论是在火力还是在科技发展程度当中，再加上它还拥有完善的指挥系统，并不是孤军作战，为此这艘本该退役的3901成为了我国维护海上权益的一项利器，当一些轻便型的舰艇使用声波通常会安装在舰艇的冠通平台上，它不仅拥有瞄准装置，还能够进行声音信号的联络，现在我国的定向声波发射距离可以达到3500米，它能为我国海上军事，执法人员创造更加安全的区域，根据报道我们的海警3901号巡逻舰也装备了次声波武器，当有人恶意侵犯我国海域时便会动用这款武器给予警告，并且一些次声波具有极强的穿透能力，甚至是能够穿过坦克引发人体共振，当它装在管状容器的惰性气体中也能够增加痛点，加热的气体颗粒也会发出振动，人耳虽然无法听到，但也能够引发心脏等器官的共振，也正是这一项非致命性，因此专家指出目前的科学技术部已经召开会议对于这套体系进行研发。2016年，我国“海警3901号”海警船，正式开始服役，从编号来看3901号海警船属于海警东海分局的管辖范围，其重点巡航范围在钓鱼岛及其附近岛屿。该海警船排水量高于1万吨。在服役前期这艘海警船是全球最大的海警船，部分媒体称其为海中怪兽。3901号海警船目前已经成为我国东海和南海海面执法不可或缺的工具。我国科研事业近年来呈现高速发展之势，大量新式武器不断出现，目前3901号海警船已经装载定位声波武器，和其他杀伤性武器相比，声波武器如同一位隐形杀手。图为海警3901号巡逻舰搭配声波武器1.3.3国内外低频声波技术的研究情况上世纪90年代，定向强生驱散器是近年来一种非致命性武器，全球各国对这种武器高度重视，美国陆战军被开始研制定向强生驱散器，俄罗斯、法国等军事强国也陆续加入研制该武器的队伍。图为定向强声驱散器用于伊拉克巡逻护航图为亚丁湾护航舰艇反海盗各国针对定向强生驱散器展开不同维度的研究，主要集中在生物损伤效应方面的研究，陆续研制出高频、中频、低频等声波武器，它们对人体的血管和神经系统造成不同程度的损伤。上世纪90年代中期，美国研制出一种110-130dB次声的声波武器，其能够对人体组织造成不同程度的损伤，轻则引起情绪烦躁，重则导致直接死亡。有学者从心理损伤层面研究，针对低频声展开研究，并研制出对人体心理情绪产生影响的曲线。美国ATC代表了国际最先进的水平和发展趋势，2003年ATC开发出了LＲAD系列多个型号的产品，目前，在索马利亚丁湾执行护航任务的驱逐舰，大部分都装备了这种称作LRAD(LongRangeAcousticDevice)的远距超音波扬声器，其威力相当于炸弹，但是却不会伤害对方的性命。同时，由于噪音是透过超音波专门给目标受众听，操作者在传送声波时是听不见这种噪音的。LRAD是一款高科技设备，貌似普通的扬声器，发射的“子弹”无一例外都是150dB的高频声波，其噪音甚至高于喷气机引擎发出的噪声，发射距离高达300-1500m。在使用过程中，操作人员首先需要需要相互沟通，命令对方遵照自己的命令行动，一旦违抗命令，进采用15-30°的角度发射145dB的声波，从而达到己方军事目的。不过，LRAD究竟是警用设备还是武器，目前很难准确界定。LＲAD军用系列已经在美国各个军队广泛应用，主要展示的场所集中在反恐防爆、军事演习等，其在阿富汗和伊拉克等战场上立下赫赫战功。以下为部分LRAD系列产品技术指标不仅仅是LRAD公司，来自美国HyperSpike公司研制出HS定向强声驱散器，和ATC公司出厂的技术指标相同，该产品开始在阿富汗战场使用。图2是美国陆军使用武器时的真实情况，图一显示，美军将该武器装载在悍马车上，主要应用在伊拉克战场上的护航和巡逻任务上;图2应用于道路、固定目标的防护；图3是应用于海军的情况，安装在亚丁湾护航舰艇应用于反海盗。图1用于伊拉克巡逻、护航图2为利用声波武器对固定目标防护图3为亚丁湾护航舰艇应用于反海盗我国各大军事院校也针对该武器展开深入研究，研制出强声生物学损伤效应，对损伤机理进行深入研究和分析，从而明确该武器的各项详细参数，以此为基础研制出大量车载、船载、固定式的定向驱散器，武器的参数指标与当前国际标准相兼容，并广泛应用于我国多个警钟的日常巡逻和护航工作中。图为车载式定向强声驱散器虽然目前我国在强声生物学损伤效应方面的研究取得一定成果，但不可否认，国内对于高声压级别的换能器依然处于初级阶段，整体研究上缺乏系统性和全面性。该效应的研究主要侧重于持续强度、持续时间等方面展开研究，不过目前针对该领域的研究覆盖面存在局限性，更没有形成高效智能的评估模型，也缺乏针对该效应对心理层面的损伤的研究，此外，针对该换能器在体积、重量、声压级等内容上的研究与发达国家相比存在一定发展空间。目前大部分针对强声驱散器的研究主要集中在中频声，其在广播和驱散的效果上并不理想，无法起到有效的防控和震慑对方心里作用。如在实际防控实践中，武警通过声波的目的在于以此对暴徒产生制止目的，并非为了驱散，在实际作战过程中受到外部环境因素干扰过大。低频大功率强声能够产生较大幅度的作用和效果，不过在研制过程中由于难度过高，因此在实战效果上与预期目标存在一定差距。目前全球国防强国陆续针对低频大功率展开全面研究，其中美国陆军研究实验室发明了长达17米的巨型喇叭，其产生的频率最高达到600赫兹。图为以色列研制的低频强声驱散器持续加强心理效应、阀下知觉、声波生理效应方面的研究，对其作用机理展开不同角度的分析和研究，从中探究出效果最佳的声波信号，能够达到损伤人类心理层面的效果，对生理损伤的程度有所下降，通过频率更低的声压级达到广播、驱散的作用，有效提升强声驱散器的使用效果。随着如今单品作战和小型无人机在局部战场上的需求不断提升，对于强声驱散器的体积要求也在不断提高，要求其重量更轻、体积更小，强度更高，才能与单兵作战的实际情况相符。美国目前已经实现了在无人机上搭载强声驱散器技术。图为ATC公司无人机载定向强声驱散器2.1声波的原理及分类从本质来说，声音是一种振动活动，声音的种类根据波长和频率可划分为超声波、次声波、可听声波三种。客厅声波就是通常意义上人类能够感知到的各类声音，频率介于20-200000赫兹的区间，部分客厅声波由于其分贝过高，也能够对敌人造成打击，不过只要对方捂住耳朵，就能抵抗这种声波攻击。超声波人类通常无法感知，其频率通常超过2万赫兹，具备极强的穿透力，其主要应用在医疗成像、检测、遥控等场景。低频声波的频率通常维持在20赫兹以下，此类声波有时候和部分人体器官的振动频率一致，如果和人体发生共振效应，极易造成人体不同程度的损伤，甚至造成敌人晕眩头晕，无法继续战斗。根据声波频率的不同，可以分为以下几类：声波频率指向性振动速度次声波（超低声）频率低于20Hz差可闻声频率20Hz~20kHz较差超声波频率20kHz~1GHz较好特超声（微波超声）频率大于1GHz好在多个声波碰撞过程中，会出现增加或减少的现象，并呈现影响不断叠加的作用，此种现象就是所谓的波的干涉。一旦波谷和波峰完全一致，效果将持续加强，如果波形在振动过程中产生的幅度高于其中每个振幅，而波峰和波谷完全不同，便呈现抵消的效果，不出现任何波形。但是在很多时候，声波本身存在多种异相现象，整体波形组合较为复杂。如在噪声、音乐等声音中的波形呈现多种组合形式，由于其具备较为独特的结构，个体产生的声波较为复杂程度较高，由此可以解释小号和小提琴演奏过程中虽然音符相同，但从感知上依然存在差异的原因。2.2低频声波的特点及规律低频声波的特殊之处在于，就算你堵住耳朵也是无济于事。低频声波，指的是频谱仪呈现低于20赫兹的声波，此类声波具备极强的穿透力，各类物理实物都无法产生阻挡效果。对于人体的杀伤，用专家的话讲:低频声波武器是比核武器还要凶狠的杀伤型武器，是绿色杀人。什久是绿色杀人?就是不破坏人体表面，专门攻击人体的内脏，而且不污染环境。低频声波维持在13-20赫兹作为可以对人体造成不同程度的损伤，从全球范围来看，但凡打着低频声波造福人类，为人类医学服务的说法，都是技术研究人员为了掩人耳目的说法。目前部分国家已经开始研制出通过低频声造成大规模杀伤的武器，根据相关数据统计来看，目前法国、美国、俄罗斯等国家开始将此类武器作为常规武器投入战场。此类声波到底是造成单个伤亡还是大规模杀伤，其能够在几公里的距离无需考虑任何障碍物，直接对目标造成杀伤，且没有任何杀伤痕迹。但也有部分民间人士自行研发此类技术，如果流落到民间，这项技术的危险性极高。声波武器可划分为超声波、强声波、低频声波。此外，低频声波还可以进行细分，其中一种被称为震荡频率的声波，其增幅和人体脑部增幅一致，当其作为武器使用时，将会造成人体出现精神错乱。此外，还有一种震荡频率与人体内脏器官的振动频率完全相同，但两者产生共振时，人类会感到内脏剧烈疼痛，甚至直接造成人类因疼痛而丧生，其死于内脏器官破裂。强声波武器并不会造成人类死亡，其更多应用于警告和驱散的场景，此类武器大部分情况用于保护基地或大型设备。如果有入侵者到来，强声波武器发出的声音，就会对侵犯者进行警告。警告无用的情况下，强声波武器就会发出新的攻击，使入侵者感到轻微的不适。只有对前面这些警告都置之不理，强行入侵的人，强声波武器才会发挥最大的攻击能力，使入侵者丧失行动能力。强声传播特性(a)线性特性依据大气声传播减弱，对强声进行精确把控，主要把控其频率、压级等参数，其主要通过达到伤害人体阀值的承受压力，并不能对人体造成永久性伤害，主要用于驱散或警告。但如果在大气环境下使用，整体效果将大打折扣，由于环境、气象、温度差异较大，在实际使用过程中的效果往往和预期预期目标存在不同程度的差异。大气声传播问题涉及的内容和领域较多，研究难度较高，是一项系统复杂的研究问题，主要考虑空气分支声吸收、几何扩散、树叶、工业场所、地面效应等多种因素的综合作用。一般情况下，上述因素的共同作用下，会造成声传播至少6dB的干扰，总衰减如公式(1)［14－15］。ATo=Adiv+Aatm+Agr+Awea+Afol+Asite+Ahouse(1)那么接收点位置的声压级SPLＲe由式(2)计算:SPLＲe=SPL1－A(2)其中，SPL1是1m处声压级(b)非线性特性强声作为一种振幅较大的声波，其属于一种非线性传播形式。这其中存在诸多奇怪其新奇的现象，通常体现在指向性降低、衰退加速等情况，特别是声饱和出现的情况下，这种现象更为明显。因此针对非线性声学的研究和分析，并将其展开实践，对强声装备造成的影响展开深入研究和分析。对于科学合理应用此种类型的信号或发射信号起到极为关键的意义和价值。如果声波传输距离较远的时候，波形通常呈现球面波的方式呈现出来。球面波声饱和公式(3):P1sat=2ρ0c20g(x)e－αxβk∫xx0g(x)e－αxdxβ=1.2空气中ρ0=1.21kg/m3空气密度α=0.1366f()400002k=ω÷c其中，S0=Sg2(x)，g2(x)为波的等相面面积虽距离的形状因子，S0为x0源点处等相面面积，此时，g2(x)=1，S为x处的等相面之积。低频强声生物效应此类驱散器并不会对人体造成永久性损伤，这主要建立在承受时间和声音强度在人体能够承受的范围。必须加强对该领域的深入研究和研究，明确造成人体损伤的阀值，从而达到驱散却不造成永久性伤害的目的。针对这一领域的研究主要以多种级别的强度和频率进行检测，从中对人体或动物的听觉能力的承受程度，以及其对人体心理层面上的损伤程度，继而对相应的损伤程度、信号形式有更为明确的了解和认识，从图10的实验中得知，目前国际上均通过小白鼠、比格犬、豚鼠等动物进行测试，并通过计算方式推到到人体的承受范围和损伤阀值，在保证安全的情况下邀请志愿者参与此项实验。图为强声生学学损伤效应试验方法分别在低频强声系统中的中心轴处放置两个试验品，两个实验动物与发声口的距离分别为1∙0m和5∙0m，并设置为A点和B点。为了确保本次声压级测试的准确性和有效性，必须同时将这两点作为共同发声的测试点，根据测试的需求，在其他地点放置多个测试点。以上测试主要的测试目标是针对低频强声信号的声压级、频谱进行测试和分析，并通过图形方式呈现出测试数据。在实验开展之前，严格记录该系统同时间段采集的信号，为后期参与实验的对象展开多种方式建立关联性。采用的实验动物是出生3个月左右的家兔，和重量达到15公斤左右的小猪。该实验采用的实验动物主要来源于中南大学湘雅医学院实验中心，在实验开始前7天，将上述动物实验在安静和谐的环境中，最大限度规避动物受到外界声音的干扰，并对动物进行相应的编号。将小猪编号之后将其暴露在规定的低频强声的声场中，通过视频记录的方式，观察其在声波信号作用下的产生的反应，同时进行采集处理典型的声场测试，各受试幼猪置放点的声场参数如表1。实验研究表明三只小猪分别在50、100、300赫兹的声压级中的的147∙9、147．0dB的强声音像下呈现不同程度的躁动，具体反应为双膝下跪、小便失禁、口吐白沫、反应迟钝等现象，针对小便失禁的现象进行记录，其中存在一定差异性，P1时间最早，紧随其后的P2和P3。从实验中观察发现，实验完成之后的30分钟里，P1小猪依然无法正常站立，并保持嗜睡状态，对于锐利的碰撞声反应迟钝，不过从身体检测来看，三只小猪的鼓膜并没有破裂，直到P1恢复正常之后，对其进行麻醉解刨发现，其右肝叶呈现不规则的淤血现象，但其他器官并没有异常情况。在实验之前对四只家兔的鼓膜做全面检查，保持耳道无异物堵塞。将它们放置于声压级低于140dB的各种频率的强声场中可发现，其中R1、R2、R3在300赫兹下的强声刺激并没有曾出现过于明显的异常表现，而一旦达到361赫兹的状态下，立刻出现较为剧烈的异常反应，首先表现出极为躁动的肢体动作，而后开始用身体部位撞击铁栏，15秒之后卧躺在铁笼中，并表现抽搐、耳廓充血等现象；实验人员尝试用手搀扶保持直立，却开始出现连续多次的冲撞铁栏的现象，并出现眼眶充血的反应。本次实验的家兔通过麻醉解刨现实，其中R1、R2、R3家兔的内脏并没有出现明显的异常，只有有R3故乡鼓膜疑似穿孔的现象，而R4的的腹腔呈乳白色，肺膜部出现较为明显的出血迹象。受到低频强声的影响，用于实验的家兔和小猪呈现不同程度的异常表现，小猪主要表现为嗜睡、口吐白沫以及小便失禁，家兔的反应为甩耳，冲撞铁栏等，由此说明，家兔暴露在361赫兹的声场中会出现较为敏感的反应，幼猪在50Hz、家兔在频率分别为300和361Hz的强声作用下部分内脏与器官出现了不同程度的异常。而低频声对人而言，袭击前期表现症状:发热，头痛，耳鸣，脑鸣，胸、腹难受，心慌，心痛，血压上升，皮肤刺痛，口腔刺痛，舌尖刺痛，发麻，四肢刺痛，灼热感，眼睛发涩，迷糊，咽喉难受，鼻子难受，旧病复发等。市场所出现的驱蚊器，捕鼠仪、水管探测装置，捕鱼器等，均是在所谓声波低频段技术理论下的产物，这些设备暂时是不能对人体造成严重的表面伤害，但是，长期接触，必然伤害人体，尤其是人的神经系统。针对生物采用低频强声的研究和分析，围绕动物在低频强声的环境下进行综合分析和研究，在此基础上继续研究和探索生物在低频强声状态下出现敏感和损伤的阀值，找准重要防护区域，并以此作为主要研究的突破点，明确针对低频强声的防护措施和防护标准制定符合人类的物理防护手段。在现代战争中，低频声波作为一种武器呈现更据杀伤力的趋势发展，人类迄今为止还没有找到能够抵抗此类武器的措施，但值得关注的是，此类武器在发射过程中同样存在一定难度，极易造成无差别杀伤，导致己方人员受伤。如何保证此类武器在没有物理障碍物的环境下发挥作用，是针对其研究的关键之处。2.3低频声波的测试及效果（脉冲波、连续波）人类历史上第一次探测到低频声出现在19世纪80年，彼时，印度尼西亚的卡托卡托火山处于爆发期间，从中发射出一种人类无法察觉的声波，却能够从气压计中展现。在上世纪30年代人类首次探测到次声，不过真正引起学术领域关注的时间需要往后延20年。当时美国和苏联开展如火如荼的军备大战，两国通过次声技术探测对方核实验，开展多种模式的低频声测试试验，主要目标在于测试对方的核试验。上世纪90年代中期，联合国全面禁止核试验条约，大量研究领域开始针对低频声展开深入研究，不仅对人类生活中的各类低频声以及防护措施进行研究，同时围绕各类自然灾害发出的低频声，特别是地震引发的低频声。上世纪90年代，美国和日本的研究人员通过研究提出利用对低频声的监测实现探测地震的作用，这项研究受到全球学术领域的关注，目前取得较大的研究成效，在不久的将来这项研究技术将应用于地震预测。针对低频声的研究和分析，离不开高密度的传感器，低频声传感器可以在大部分时候接收到低频声。此类传感器具备多种换能类型，面对各类频率的低频声都能满足测试要求。此类传感器种类丰富，从测量原理划分，主要分为光纤、电容、电磁波的模式的传感器，应用范围最广的是电容传感器，其具备灵敏性高、体积小的优势，能够有效实现与信号模拟转换器直接连接的需求，使用方式较为简单。从输出形式划分，可分为直接输出和载波调制输出两种方式。目前研究领域使用较为广泛的是电容低频声传感器，其应用范围主要集中在地震监测、冰雹预报等方面。当前国际上应用比较广泛的传感器是来自美国阿拉斯加大学研制发明的model系列，中国科学院研究发明的CH系列电动传感器，以及二炮工程学院研制的双电容低频声传感器。从联合国裁军计划中明确提到低频声监测站建设的相关问题，对传感器系统的可靠性和稳定性作出明确要求，同时要求传感器具有自动化和高效传输的能力，从而有效应用于多种监测场景，目前我国首台低频声震裂监测系统在北京香山建成。此外，联合国裁军委员会在全世界范围内建立多个低频声监测站，持续对全球范围的常规化学爆炸以及核爆炸进行监测。低频声检测技术是一种发展潜能巨大的新型技术，如今主要的发展方向如下：一、优化和完善低频声接收装置，通过优化设计，提高工艺精度，加强制造工艺，提升传感器的统一性和灵敏度，比如电容式机屏声传感器对内部架构的要求极高，电容板平整度必须达到光洁度高以及防尘的要求，受到外界温度影响的变化小。通过高性能的无尘工艺和数控机床的加工下能够全面提升电容式传感器的整体性能。二、结合现代智能化传感器技术，全面提升传感器数据采集传输能力，通过放大传感器输出模拟信号仪表的方式，在采用高分辨率的转换模块进行采集，再发送至数字信号处理器展开全面研究和分析，从而传输到不同基站。法国的MB2000系列次声传感器具备较先进的智能化水平，能够连接若干个传感器以及导生防风管应对多个检测场景开展检测作业，能够保证低频声升压级的准确性。三、采用新的大区域网络低频声监测阵列，将多个传感器阵列放置在几百公里范围内的区域，通过低频声定位方法全面处理各类接收信息，以此达到准确定位的目标，在监测过程中，对传感器的统一性要求较高，因此在制作过程中，必须加强对一致性的校准技术，保持传感器中的各项阵列灵敏度始终处于统一水平。外界环境的声音对低频声的检测造成较大影响，因此全球研究领域针对低频声抗风噪声系统研究极为关注。不同传感器和检测方式的优势和劣势存在差异性，无论这项技术发展方向如何，并采用何种新型设备进行监测，最终属于次声传感器的技术范畴。当前全球应用传感器的种类主要包括以下几种：法国MB2000系列传感器：图1.1法国MB2000系列次声传感器Fig.1.1FranceMB2000seriesinfrasoundsensor法国研制的MB2000系列传感器的如今已经升级多个系列，分别为MB2005、MB2007，在最初阶段，此种传感器的主要应用于国际次声监测站。其工作原理主要是通过微型气压计来检测，其中设置了数字电路板，能够实现直接输入，不过设备中的波纹管必须用硅油浸泡才能保证其稳定性。此类传感器在频率响应和灵敏度上都不理想，往往只能检测到0.1Hz~10Hz范围内的次声，因此在使用场景上受到不同程度的局限。美国阿拉斯加大学的model系列传感器：图1.2美国Model系列低频声传感器Fig.1.2USModelseriesinfrasoundsensors上图展示的各类传感器主要是来自美国发明的model系列，分别为12.2、12.5、150系列，它们都属于电容式低频声传感器的种类，能够检测到其他传感器无法触及的低频声波。和其他类型的传感器相比，该传感器在声学性能上表现属于中等水平。其工作原理主要是持续改进和优化的电路设计，从而确保自身的噪音极低，可以适应多种温度下的检测需求，但此类传感器体积比较大，便捷性较低。图1.3(a)中国CDC-2B型低频声传感器;(b)电动式低频声传感器Fig.1.3(a)ChinaCDC-2Binfrasoundsensor;(b)DynamicCoilinfrasoundsensor中国科学院声学研究院研制的CDC-2B低频声传感器是一款具有创新理念的传感器，该传感器基于电容式气压计的技术支撑下，仿佛优化和改进，有效提升整体灵敏度，甚至高于美国研制的model系列，能够达到0.001Hz~10Hz环境下的检测要求，同时不断优化和改进电容膜片和外壳，最大限度降低传感器的免受外界干扰。其主要优势在于体积小，重量轻，操作便捷，但是在适度和温度上，却逊于美国研制的model系列。电动式次声传感器：此类传感器作为我国早期研究过程中针对大气次声波进行检测的传感器，不需要供电就能正常运转，其内部由永磁体、膜片、线圈组成。一旦传感器检测到次声波，膜片会跟随次声波的振动连接线圈在永磁体中出现磁场运动效应，进而从中产生设备所需的电压。针对电压的检测，能够从中检测出次声波的振动数值，此类传感器的优势在于自行检测，不需要供电，能够长时间放置于户外开展检测作业，但相对而言，此类传感器灵敏度不高，而设备体积比较大。美国光纤次声传感器图图1.4美国光纤式次声传感器Fig.1.4USopticalfiberinfrasoundsensor光纤式传感器是近些年研制出来的传感器，通过长距离的光纤进行缠绕，并通过光纤接收传播在大气中的低频声波，通过直径上的细微变化对内部激光传导造成影响，并通过干涉计对其展开检测，从中能够检测出次声波的改变情况。此类传感器的优势在于能够杜绝外界的干扰，同时传感器的跨越范围较大，通过距离中的平均压力和压强作为抵消噪声的最佳利器，能够最大限度降低外界的干扰。但其缺点在于整体长度较大，实际操作难度较大。3.1低频强声声源技术（爆轰、流体）射流式调制声源介绍射流式调制声源整体功率较大，主要通过空气压缩机的作业达到能源供应的目的，利用外加声频信号对内部空气进行控制，达到机械能的转化，从而生成声能。此类扬声器受到振动结构和气流压力的影响，压力如果达到一定阀值时无法在增加。此类设备目前主要应用在距离较远的广播场景上，同时在强噪声、环境试验测试等领域得到广泛应用。该装置由发声装置、供气装置以及控制装置三个部分构成，供气装置通过柴油压缩机产生压力，再用控制装置输出信号，输出信号随控制电信号变化;发声装置由气室调制喷口和号筒组成。射流式调制声源利用压缩空气作为能量，采用一个受外加声频信号控制的振动系统来调制气流，并通过号筒辐射声波。该声源在发声时与人说话的发生机理相似，工作时通过空气压缩机使压缩气体进入通气室，然后通过由固定部件和可动部件组成的开缝，由于这两部分在电信号的控制下作相对运动从而使合成缝隙的面积产生变化，这样就把断续空气压入号筒喉部，经过一段距离混合后，气流的面积调制转换为速度调制，最后由号筒排出。该装置可以实现大功率、大声压级、并且具有一定指向性的声波，根据定制号筒结构的不同，尺寸的不同，频段可以达到20到5000Hz。不足之处：一是造价昂贵且体积重量庞大只适用于固定点的使用，如重点保护目标，边境拒止，无人岛的拒止等，二是该声源发声装置虽然具有一定的指向性，但是据实验表明，当声波传递到一定距离后，受空气温度湿度海拔等影响，声源的衰减十分迅速，以国内研究距离，该装置还无法达到千米级的拒止效果。爆轰波声源技术爆轰波是利用炸药爆炸而产生的能量波，爆轰波声源技术就是利用化学或炸药爆炸产生的能量通过特殊材料及结构以实现化学能到声能的转换。爆轰声源具有能量大，威力大，覆盖面宽，传输距离远的特点，对于远距离震慑、拒止、拦截等具有重要作用，特别是通过研究与实验表明采用多点爆轰、连续爆轰的方式效果更加出众，在水下爆轰声源对抗技术应用的更加频繁，对于海军的声呐探测干扰以及鱼类拦截等起到重大作用，高能炸药在爆炸过程中发出的冲击波，一旦遇到水将会快速减弱，形成强声波，并逐渐变化为低频干扰噪声源，此外爆炸发生在水底下，往往会造成大量气泡，直接影响声传播的效果，同时也对声信号的吸收环境造成不同程度的影响，极大降低声传播的声效。潜艇的先决条件是隐蔽，一般通过被动声呐的方式作为发挥引导作用，实现对目标的攻击，对于距离较远的被动声呐，如果出现大规模且持续性的爆炸声，极易造成声源的干扰。一般高能炸药在水底下爆炸过程中会造成短时间内的声压峰值为p0=52.27×106×(M1/3/r)1.13，式中：p0为峰值声压，Pa；m为炸药装药量，kg；r为距离爆炸中心的距离，m。水下爆炸声源具有宽频段特性，不同频率范围内的声强为[4]I(f)=2p20ρc(1/β2+4π2f2)，(2)式中：I（f）为声强，W/m2；ρ为海水密度，kg/m3；c为海水中声速，m/s；f为声源频率，Hz；β为爆炸冲击波衰减系数，ms。衰减系数β表示声压由峰值p0衰减到0.0368p0时所经历的时间，如下式所示[5]：β=0.084×M1/3(M1/3/r)−0.23。(3)电声声源技术电声声源技术是用扬声器将电能通过特殊结构或阵列转化声波的技术，这里我主要讲的是李睿的双元低频扬声器相控技术，这项技术主要通过相位控制的方法实现，通过对扬声器相位的电路的控制进行研究和分析，通过2台功率极大的低音喇叭作为本次研究的目标，针对双元相控阵辐射声场展开测试，该实验证明了大幅射半径、高功率低频声源定向打击的可行性，进一步可采用多阵列以及不同的排列结构提高该声源的指向性，为后续声波武器的研究奠定了基础3.2低频声波传播调控技术受到声波在传播过程中能量和波束发散减弱的影响，与高频声波相比，其在一定介质中整体吸收相对较弱，因此能够适用于隔声材料和各类物理障碍环境的检测需求，具备极强的穿透力。但该声波整体波长比较长，无法体现较强的波束指向性，所以提升波束指向性是针对该武器研究的核心关键，如若不然不能展现其攻击目的，甚至对己方人员造成伤害，因此针对低频声波的指向性研究，成为当今科学领域急需解决的关键问题。为了达到低频声波定向传播的目标，必须将辐射声波频率、辐射面积、辐射物体结构纳入考量范围。围绕对声波产生影响的因素分析分别有边界条件、媒介性质以及结构控制三种。利用相控矩形阵列法实现声波聚束低频声波本身的波长比较长，单独的声源口尺寸过小，所以缺乏足够的指向性。因此将声元进行排列，形成阵列形式，能够起到汇聚成束的效果。在控制过程中能够实现对精准定向的目的。如图1所示，在在XY坐标面上，共有M×N个次声元，阵元间距分别为以、d，，任意空间向量OP角为妒，在目标点P沿0P指向性函数为砌矽=糕=智sin(丝}si毗唧)sin(学si叫nPMsin(孚si的c。s驴)Nsin(乎sinOsinl90(1)式中，a为单个声源的半径，2a／,l《1，D(口)一zJl(争sin0)孙asi的sl删为各向