Page 26 - 《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

超压开始上升，但头部整体由超压引起的合力逐渐减小。在该过程中，超压是头部受力的主导因素，动压
产生的力及颈部约束力均小于超压引起的作用力。因此，头部合力的幅值仍受环境气压的影响，表现为
随环境气压降低，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。
实验结果表明，随环境气压降低，头部质心 y 方向角速度峰值及颈部 y 方向扭矩峰值呈上升趋势。
当冲击波作用于模型表面时，颈部所受扭矩可用下式描述：
∑
M = Iα (6)
∑
α 为角加速度。头部质心角速度可用下式描述：
式中： M 为合扭矩， I 为转动惯量，
1 w ∑
t
ω(t) = Mdt (7)
I 0
t 为作用时间。当冲击波波阵面初始接触模型头部表面时，颈部尚未发生明显形变，
式中： ω(t) 为角速度，
该阶段的颈部扭矩主要源于头部表面超压。在此阶段，低气压环境下的角速度峰值亦小于常压环境下
的对应值。当冲击波完全通过模型头部后，上颈部扭矩主要由颈部材料特性与空气阻尼共同决定，低气
压环境下空气阻尼较小，导致颈部合扭矩高于常压环境，且作用时间延长，进而使角速度峰值亦大于常
压环境。此外，低气压环境下作用于躯干的载荷减弱，可能导致躯干整体后仰幅度降低；与此同时，头部
在冲击波作用下仍可保持显著的俯仰运动，从而增大头部相对于躯干的相对俯仰角速度与角加速度，并
相应提升颈部 y 方向扭矩峰值。
此外，本研究中头部表面峰值超压随环境气压降低一致呈现下降趋势，说明实验工况控制与数据采
集具有良好的稳定性；结合物理假人模型的生物逼真度标定结果，测试数据具备合理的生物力学解释基础。
然而，若仅依据致伤指标“峰值”随气压降低而下降，进而推断低气压环境下损伤风险必然降低，可能
导致过度简化。既有生物实验亦提示低气压环境可能降低机体对冲击波的耐受阈值。张雷廷等 [43] 在对
小鼠平原与高原严重冲击伤的研究中发现，为制造相同伤情，高原条件下所需实验压力低于平原条件。
王峰等 [28-29] 依托 BST-1 型生物激波管开展了研究，发现随海拔的升高，大鼠重度及极重度肺出血发生
率、肺水肿病理损伤程度以及死亡率显著提高 [29] ，且高原低气压环境可显著降低动物对冲击波的耐受阈
值 [28] 。邓志龙 [37] 也发现随海拔的升高，大鼠肺损伤等级较平原环境提高 1～3 级，肺功能损伤程度和死
亡率均呈逐步加剧趋势。上述发现表明，即使在相同或相近的冲击条件下，低气压环境下的生物效应可
能并不会减弱。因此，常温常压环境中基于峰值超压构建的损伤量化评估方法在高原环境中需要谨慎外推。

3 结 论

基于高仿真物理假人模型与激波管测试系统，构建了 4 种不同环境气压（101、90、70、54 kPa），获得
了低气压条件下头颈部动力学响应的实验数据，得到的主要结论如下。
(1) 在 54～101 kPa 的环境压力条件下，自由场冲击波峰值超压随环境气压降低整体呈下降趋势；相
较于 101 kPa 环境压力，54 kPa 条件下自由场冲击波峰值超压降低约 16.03%。
(2) 当环境气压降低至 70 和 54 kPa 时，头部各测点峰值超压整体下降，表明环境气压主要影响峰值
超压幅值；同时，在头部表面 6 个测点中，眼部测点峰值超压最大，“前部-前额-头顶-枕部”测点峰值超
压沿路径依次衰减。
(3) 在 54～101 kPa 的环境压力条件下，头部质心 x 方向和 z 方向加速度峰值以及颈部 x 和 z 方向力
峰值整体随环境压力的降低而降低；头部 y 方向角速度峰值与颈部 y 方向扭矩峰值整体随环境压力的降
低而升高。
尽管本研究在低气压条件下爆炸冲击作用的头颈响应特征方面获得了一定的实验数据与规律性认
识，但仍需在更完善的环境参数控制与更贴近实际的模型与边界条件设置上进一步拓展。总体而言，本
研究为不同气压条件下致伤相关指标的变化规律提供了可重复的实验依据，并可为高原环境下爆炸冲
击伤的防护设计、损伤评估与救治策略制定提供力学参考。

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