烟火药和压缩氮气声源水下声辐射特征对比研究

漆家洋　关华　李捷　宋东明

（南京理工大学　南京　210094）

烟火药和压缩氮气声源水下声辐射特征对比研究

漆家洋†关华李捷宋东明

（南京理工大学南京210094）

为研究烟火药水下燃烧声辐射机理，采用烟火药和压缩氮气喷射声源对比的方法，利用水声测试系统，通过实验研究不同体积流量下两种声源装置的声辐射规律。结果表明，烟火药水下燃烧声源与压缩氮气声源的声辐射特征相似，辐射频率主要集中在0～1000 Hz内，峰值频率均位于100 Hz附近，总声压级、峰值声压级均随着气体流量增加而增强。当气体流量从60 ml/s增加到84 ml/s时，烟火药峰值声压级由155 dB增加到163 dB，0～1000 Hz内总声压级由159 dB增加到165 dB；当喷气流量从70 ml/s增加到141 ml/s时，压缩氮气源峰值声压级由136 dB增加到139 dB，0～1000 Hz内总声压级由144 dB增加到147 dB。当气体流量相近时，烟火药相比压缩氮气声压级相差显著，其声压级均高于同频率下压缩氮气源，两者的峰值声压级分别为157 dB、139 dB，0～1000 Hz内总声压级分别为160 dB、147 dB。

烟火药，压缩氮气，声辐射，流量

1　引言

烟火药由氧化剂、可燃剂、添加剂等构成的混合物，大气中燃烧时产生高温火焰并伴有气体、液体和固体残渣等燃烧产物。由于烟火药属自供氧体系［1］，水下能持续稳定燃烧，产生一定量气泡和高温残渣粒子。研究表明［2］，烟火药水下燃烧产生一定的声辐射特征，而水下单一气体喷入运动湍流场时，辐射噪声受排气量和排气管口尺寸控制，形成湍流，气泡破裂、溃灭是产生噪声主要机理［3］，但烟火药水下燃烧产生声辐射的因素相比单一气体喷射要复杂得多，如高温火焰、固体残渣、以及湍流等引起的气泡形态、尺寸的变化以及高温产生的介质应力变化，都会产生较强的声学信号。

目前，对于烟火药水下燃烧作为声源的研究报道并不多，一般都是针对与烟火药组分相似的固体推进剂的水下点火、推力以及相关的流场问题等进行研究［4-13］，直接研究固体推进剂水下燃烧的噪声辐射及相关特征的较少［13］，例如上世纪70年代，Caveny等［14-15］对推进剂水下燃烧产生的声辐射特征进行了研究，2002年，Rampichini等［16］对AP-HTPB固体推进剂水下燃烧声辐射特征进行试验并利用谱图分析了整个燃烧过程的声辐射特征。2006年，美国专利［17］报道了一种利用铝粉与水燃烧产生高温气体作为声源。而国内张进军等人［18］通过建立不同药柱的燃烧模型，并利用数学模型对其求解，用来研究不同药柱对启动过程的影响，但没有涉及相关声辐射研究。综上所述，以上研究仅对水下燃烧声源的声辐射特征进行描述，并未对其水下燃烧发声机理以及声辐射特征影响因素进行深入地探讨，尤其对于关于烟火药水下燃烧产生的高温气体对声辐射特征的影响并没有进行比较详细地研究。因此本文采用对比的研究方法，利用压缩氮气水下喷射作为参照对象，研究不同流量的烟火药水下燃烧和氮气声辐射特征，并对相似流量的两种声源进行了对比分析。

2　实验

样品制备：将氧化剂、可燃剂和粘合剂组成的烟火药压制成密度为1.8 g/cm3、直径为18 mm、质量为5 g的药柱，装于自行设计喷口直径10 mm装置中，即烟火药声辐射装置样品。压缩氮气装置样品使用同样装置，将氮气用橡胶管从压缩钢瓶引出，固定在装置喷口底端，氮气从直径为10 mm喷口喷出。

水声测试：系统由8104水听器（频率0.1 Hz～120 kHz），B&K-2692型电荷放大器，B&K-3560型数据采集前端构成。采用1/3倍频程带宽噪声频带声压级Lpoi（基准值：1µPa）其计算如公式（1）所示。

式中：Ui系统输出电压，V；U0基准电压，U0=1 V；M0水听器自由场电压灵敏度，dB（基准值：1 V/µPa）；K系统增益，dB。

为了得出某一频段内的平均声压级，采用公式（2）计算，如下所示。

式中：n表示采样点数。

测试时，实验样品水下试验装置示意图如图1所示，将试验样品置于自制的立方体消声水箱（附标尺）中，距水面距离为0.7 m，水听器距离试验样品距离为1 m。烟火药装置采用电点火头进行点火。置于水箱内水听器将捕捉到的噪声声压信号转换成电信号，再经B&K-2692型电荷放大器，利用B&K-3560型数据采集系统及PULSE LABSHOP软件对数据进行采集与处理。

图1　实验装配示意图Fig.1 Experimental assembly diagram

3　结果与分析

3.1烟火药水下燃烧声辐射特征

为研究烟火药燃烧产生气体对水下声辐射特征影响，采用气体流量表示单位时间产生的气体。烟火药以氧化剂、可燃剂、添加剂及粘合剂为基础配方，通过调节组分配比设计四种气体量的药剂，本试验借助密闭爆发器测试烟火药燃烧瞬态压力方法评价烟火药燃烧产生的气体体积，各配方编号为1#、2#、3#和4#。

试验仪器和装置主要包括瞬态压力测试系统、密闭爆发器、压力传感器。传感器灵敏度为143.9 mV/MPa，信号处理软件为DEWEsoft，密闭爆发器容积为50 ml。

测试100 mg药剂瞬态压力，得到P-t曲线。由于样品药量较小，假设在密闭爆发器内的气体产物温度与在常压下的气体产物温度相同，根据气体状态方程，如下公式（3），可计算常压下药剂产生的气体体积以及其产气速率，如表1所示。

表1　不同配方烟火药燃烧密闭爆发器测试结果Table 1　The closed bomb test results of different formulas pyrotechnics combustion

式中：V0，P0大气压强（1 atm）气体燃烧产物体积和大气压力；V2，P2分别为密闭爆发器容积及测得的压力峰值。

将配方编号为1#、2#、3#和4#的烟火药分别压制成药柱进行水下燃烧试验，其声辐射特征如图2所示。

图2　不同气体流量烟火药剂水下燃烧声辐射特征Fig.2 Different gas flowing of pyrotechnics underwater acoustic radiation characteristics

不同气体流量烟火药水下燃烧声辐射特征变化趋势相同，均随着频率升高，声压级逐渐上升，至100 Hz附近达到峰值，然后随着频率升高，声压级逐渐降低，结合表1，当烟火药水下燃烧气体流量从60 ml/s增加到84 ml/s时，烟火药100 Hz处峰值声压级由155 dB增加到163 dB，烟火药0～1000 Hz内总声压级用公式（2）计算，由159 dB增加到165 dB，得出随着烟火药产气速率增加，其水下燃烧峰值声压级、0～1000 Hz内总声压级逐渐升高。

烟火药水下燃烧能产生声辐射主要因为燃烧产物含有大量高温气体，在水下会形成大量的气泡，这些气泡进入共振状态时就会引起声辐射，其在水中共振频率可以用公式（4）计算。

式中：r——气泡半径，m；p——气泡内压力，Pa；ρ0——液体密度，kg/m3；γ——水的绝热比。

文中假设气泡在管口处形成，且形成过程为绝热过程，根据气泡的数量，气泡直径，以及产气速率对该公式进行估算可以得到公式（5）。

式中：r——气泡半径，m；T——气泡内温度，K；ρ0——液体密度，kg/m3；V——产气速率，L/s；u——气泡产生个数，个/s；R——气体常数，R=8.314 J/mol·K

根据公式（5）可以得出，1#、2#、3#、4#水下燃烧所形成的气泡共振频率分别为147 Hz、107 Hz、86 Hz、88 Hz均集中在100 Hz附近处。

此外，气泡在水下发生合并、破裂等现象也会产生相应的辐射噪声，高速摄影仪记录不同产气速率下气泡形成情况如表2所示，随着产气速率增加，烟火药水下燃烧产生的气泡数量减少，但气泡直径有所增加。文中分别选取产气速率相差较大1#、4#药剂进行对比研究，如图3所示，发现1#和4#药剂气泡数量相差很大，且气泡形态也有不同，4#药剂虽然单位时间内气泡产生数量少，但其分布区域一直到管口很远处，并且容易在相邻气泡间形成首尾相连，且相互间合并和破裂过程比较剧烈，即使在距离管口很远处，仍然有大团气体进行着比较快速的合并和破裂。而前者生成的气泡比较饱满，气泡间合并、破裂过程大多发生在管口附近，而且其合并和破裂的速率和强度都随着高度的上升而逐渐下降。已有研究表明，气泡在水下是一种噪声源且气泡尺寸越大，扰动能力越强，形成的噪声激发源也随之增强［19］。

图3　烟火药水下燃烧气泡形成周期过程中的气泡状态Fig.3 The bubbles status of pyrotechnic underwater combustion in bubbles formation process

表2　不同配方的烟火药水下燃烧气泡特征Table 2　The bubbles characteristics of different formulas pyrotechnics underwater combustion

3.2水下压缩气体不同喷口流量下声辐射特征

压缩氮气源的选择主要为体现烟火药燃烧形成的气泡特征，尽量与烟火药不同气体产物量水下气泡特征相似，实验研究发现，当喷射流量为70 ml/s时，能够产生一定数量的气泡，当喷射流量为141 ml/s时，气流呈喷射状，水箱中的水剧烈翻滚，并大量溢出水箱，实验选择喷气为70 ml/s、100 ml/s、122 ml/s、141 ml/s，同时用高速摄影仪记录了喷口处气泡的变化状态，不同流量下压缩氮气声辐射特征曲线如图4所示。

不同喷口流量的压缩氮气源声辐射特征变化趋势相同，均随着频率升高，声压级逐渐下降，100 Hz附近达到峰值，当压缩氮气源喷气流量从70 ml/s增加到141 ml/s时，峰值声压级由136 dB增加到139 dB，0～1000 Hz频段内总声压级用公式（2）计算，从144 dB增加到147 dB，得出随着喷射流量的增加，峰值声压级、0～1000 Hz频段内的总声压级均上升。

压缩氮气源之所以能产生声辐射，是因为氮气喷气在管口处形成气液两相流场、连续气泡流，气泡在形成、合并及溃灭等过程中产生的噪声共同作用的结果。管口气泡在气源气体压力冲击下，脱离管口上浮，但由于气泡下方存在低压区，下方气泡速度增大，追赶上方气泡并与之合并，同时由于大体积气泡在运动过程易破碎成多个小气泡［20］。同时，随着喷气流量增加，会在喷口处依次形成大量气泡。高速摄影仪记录的压缩氮气源不同喷气流量下气泡形成情况如表3所示，随着喷气速率增加，压缩氮气源水下形成的气泡直径虽然增加，但气泡数量减少。文中分别选取产气速率相差较大1#、4#喷射流量进行对比研究，如图5所示，发现1#和4#气泡数量相差很大，且气泡形态也有不同，后者气泡形成后短时间内就能达到最大直径，且形状不规则，呈现椭球状，极易在管口处破裂。而前者气泡形状较规则，接近球状，其破裂与合并过程大都发生在上升过程。而根据公式（5）可知，不同喷气流量的压缩氮气水下喷射时，其形成的气泡在水中的共振频率分别为161 Hz、140 Hz、107 Hz、87 Hz，均集中为100 Hz附近。

图4　不同喷口流量下压缩氮气声辐射特征Fig.4 The acoustic radiation characteristics of compressed nitrogen under different nozzle flowing

表3　不同喷气速率压缩氮气水下喷射气泡特征Table 3　The bubbles characteristics of different compressed nitrogens source

3.3烟火药水下燃烧和压缩氮气的声辐射特性区别

根据对烟火药水下燃烧和压缩氮气源的声辐射特征研究可以得出随着气体的增加，两者的峰值声压级与0～1000 Hz内总声压级均增加，而声辐射特征变化趋势基本相当，由此可见，气体流量的大小对两者水下声辐射有较大影响，因此为了比较两者声辐射特征的异同，本文对比研究气体流量相当的烟火药水下燃烧与压缩氮气源产生的声辐射特征差异，以及两者在气泡形态、尺寸等的差异，声辐射特征如图6所示。

烟火药水下燃烧与压缩氮气源水下喷气的声辐射特征变化趋势类似，峰值频率均位于100 Hz附近，而100 Hz之后随着频率的增加，声压级逐渐下降，但气体流量相近时，烟火药水下燃烧的声压级均高于同频率下压缩氮气源，两者的峰值声压级分别为157 dB、139 dB，相差18 dB，0～1000 Hz内总声压级分别为160 dB、147 dB，相差13 dB。

图5　压缩氮气水下喷射气泡形成周期中的气泡状态Fig.5 The bubbles status of compressed nitrogen source in the bubbles formation process

图6　3#烟火药水下燃烧与流量70 ml/s的压缩氮气源水下喷气声辐射特征Fig.6 The acoustic radiation characteristics of 3#pyrotechnic underwater combustion and the flow rate of 70 ml/s compressed nitrogen source

当气体流量相近时，虽然根据公式（4）可以得出，无论是不同产气速率的烟火药水下燃烧还是不同气体流量下的压缩氮气水下喷气，所形成的气泡在水下共振频率均在100Hz附近。但是烟火药水下燃烧产生的声辐射特征相比于压缩氮气源更加显著，高速摄影仪记录流量相近时烟火药水下燃烧与压缩氮气水下喷气管口处气泡形成过程，如下图7所示，由于烟火药水下燃烧时高温燃烧产物喷射进入水中，其与周围水之间的温差加大，两者间传热加剧，从而导致其管口气泡在形成过程中，新气泡直径不断增大，当流量均为70 ml/s左右时，烟火药在喷管处形成气泡直径为67 mm，与此同时新气泡的上部与上个气泡的底部之间会形成连接通道，新气泡内的部分气体和烟颗粒进入到上个气泡，加速上个气泡的破裂。而压缩氮气源水下喷气时，气泡基本上是一个一个地在管口处形成后慢慢增长到最大直径，如喷气流量为70 ml/s时，在管口处形成的气泡直径为50 mm，两个气泡间很少出现连接通道，由此可知烟火药水下燃烧相比于压缩氮气源水下喷气，气泡尺寸越大，破裂能力越强，形成的噪声激发源也随之增强［19］。

此外，温度也对水下气泡扰动产生较大影响，文献［21］通过研究液体温度对气泡聚并的影响，发现气泡聚并临界速度随着液体温度增加而上升，烟火药水下燃烧产生大量高热气体喷射进入水中，势必会使其周围水域温度升高，因此文中假设水箱内初始水温为室温，即25°C，喷口处形成气泡为绝热过程，即烟火药水下燃烧所产生的热量完全传递到水中，利用表面张力随温度变化关系以及气泡破裂临界条件［22-23］可以得到公式（6）。

式中，T——温度，°C；P1，P2——气泡的内外压强，Pa。

根据公式（6）可以得出，随着水温的升高，气泡的内外压差增加，导致气泡更加更加容易溃灭，而气泡的溃灭会产生强烈的声信号［24］。

图7　气体流量相近的烟火药水下燃烧与压缩氮气水下喷射管口气泡形成过程Fig.7　The nozzle bubbles formation of pyrotechnic underwater combustion and compressed nitrogen insufflation in the similar gas flowing

4　结论

本文为研究烟火声源水下燃烧声辐射机理，采用烟火药燃烧和压缩气体喷射声源对比的研究方法，主要得出以下结论：

（1）烟火药水下与压缩氮气声源声辐射变化特征相似，峰值频率均为100 Hz附近，当超过峰值频率，声压级随着频率的增加而逐渐减小。

（2）烟火药水下燃烧与压缩氮气源的声辐射特征均随着产气速率的增加而增强。

（3）烟火药水下燃烧的声压级比压缩氮气源声压级大，两者峰值声压级分别为163 dB、139 dB，相差24 dB，0～1000 Hz频段内的总声压级分别为165 dB、147 dB，相差18 dB。

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Comparison of underwater acoustic radiation characteristics between pyrotechnic and compressed nitrogen

QI Jiayang†GUAN HuaLI JieSONG Dongming
（Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

In this paper,in order to study the underwater acoustic radiation mechanism of pyrotechnic combustion,it compared injection source of pyrotechnic combustion and compressed nitrogen.The acoustic radiation characteristics of two different sound sources in different volume flows were investigated by using the underwater acoustic test system.The results show that the acoustic radiation characteristics of pyrotechnic combustion is similar to the compressed nitrogen and the radiation frequencies mainly concentrate on the range of 0～1000 Hz,of which the peak frequencies are both at about 100 Hz.Besides,the sound pressure level（SPL）and the peak SPL are enhanced with the increase of gas flowing.As the gas flowing increases from 60 ml/s to 84 ml/s,the peak SPL of pyrotechnic increases from 155 dB to 163 dB and the SPL in the range of 0～1000 Hz increases from 159 dB to 165 dB.The peak SPL of compressed nitrogen source increases from 136 dB to 139 dB and the SPL in the range of 0～1000 Hz increases from 144 dB to 147 dB with the gas flowing increasing from 70 ml/s to 141 ml/s.Compared with the compressed nitrogen source,the SPL of underwater pyrotechnic combustion is higher at the same frequency,the peak SPL of them are separately 157 dB and 139 dB and the SPL of them in the range of 0～1000 Hz are separately 160 dB and 147 dB.

Pyrotechnic,Compressed nitrogen,Acoustic radiation,Flowing

O429

A

1000-310X（2015）01-0032-08

10.11684/j.issn.1000-310X.2015.01.005

2014-04-01收稿；2014-07-09定稿

漆家洋（1990-），男，安徽人，硕士研究生，研究方向：高声压烟火装药结构设计及声辐射特征。

E-mail：15366105783@163.com