Page 25 - 《爆炸与冲击》2026年第11期

第 46 卷 王俊龙，等： 不同气压环境下冲击波对人体头颈致伤力学指标的影响规律 第 11 期

2.3 讨论
近年来，现有工作已在接近标准大气压条件下积累了较丰富的损伤评价认识，但在低气压环境中，
爆炸冲击载荷与头颈部动力学响应/致伤效应之间的关联仍缺乏系统实验数据支撑，从而限制了既有损
伤准则与防护设计方法的环境适配及其有效性验证。在单因素控制思路下降低环境气压，对比低气压
与接近标准大气压条件下头颈部载荷与运动学响应差异。
实验结果表明，随环境气压降低，头部表面峰值超压整体呈下降趋势。需要指出的是，本研究未对
温度、声速等参数进行独立控制，后续仍需在更完备的环境参数控制下进行量化验证。在低气压环境
中，若温度保持恒定或变化可忽略，环境气压与空气密度近似成正比 [24] 。随着环境气压的降低，空气密
度相应降低，单位体积内的气体分子数急剧减少。在相同实验工况下，冲击波波阵面中参与压缩的分子
数减少，导致峰值超压下降 [9-10] 。因此，低气压环境下模型头部表面所测得的峰值超压低于常压环境下
的对应值。为验证低气压环境下的激波强度，可采用 Rankine-Hugoniot 关系式 [42] 进行分析，该关系式给
出了激波前后压力比与激波马赫数之间的基本守恒关系：

p 2 2γ ( 2 )
= 1+ Ma −1 (1)
s
p e γ +1
D
Ma s = (2)
c 1
γ 取值为
式中： p 2 为激波波后压力， p e 为被驱动段初始环境压力； γ 为比热容比，对于室温下的空气，
c 1 为当地声速，单位均为 m/s。联立式 (1)～(2) 可得：
1.40； Ma s 为激波马赫数； D 为激波速度，
Å ã
p 2 2γ ( 2 )
∆p = p 2 − p e = p e −1 = p e Ma −1 (3)
s
p e γ +1
Δp 为峰值超压。代入自由场环境气压测试条件下的实验段出口实测数据计算，结果见表 3。实验
式中：
测得值与理论计算结果基本一致。

表 3 激波信息
Table 3 Shock wave information
−1
p e /kPa p t /kPa D/(m·s ) Ma s Δp/kPa
101 59.0 417.4 1.23 59.7
89 55.1 417.4 1.23 52.6
70 51.5 427.4 1.26 47.4
55 48.9 441.7 1.30 44.1

实验结果表明，随环境气压的降低，头部质心 x 方向和 z 方向加速度峰值以及颈部 x 方向和 z 方向
力峰值整体呈下降趋势。当冲击波作用于模型表面时，头部所受合力可用下式描述：
x
F (t) = p(t)dS + F neck + F drag (4)
F drag 为动压
式中： F(t) 为头部所受合力， p(t) 为模型表面超压， dS 为表面积分微元， F neck 为颈部约束力，
所产生的力。对比超压时程曲线与头部质心加速度时程曲线可知，两者在模型头部的作用时间尺度基
本一致，表明头部质心加速度主要受头部超压影响。当冲击波波阵面初始接触模型头部表面时，颈部尚
未发生形变，也未产生颈部约束力，且动压效应尚未显现。因此，该阶段头部受力主要取决于峰值超
压。低气压环境下峰值超压较低，致使头部受力小于标准大气压环境下的对应值，进而导致头部质心各
方向加速度减小：
F = ma (5)
a 为头部质心加速度。同时传递至颈部的力也相应降低。当波阵面传播至耳
式中： m 为模型头部质量，
部（冠状面）时，模型头部所受合力达到最大值。此后，波阵面继续向枕部（冠状面后方）传播，枕部区域

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