基于射击噪声原理的消音器设计方法研究综述

赵 锋,王 啸

(1.宝色科技(深圳)有限公司, 广东 深圳 518000; 2.清华大学, 北京 100081)

0 引言

随着军工科技的发展,轻武器的杀伤力、射程与实战性能不断提高。然而,轻武器性能的提高也使得射击过程的噪声不断增大[1]。据测试,常规轻武器射击时产生的噪声最高可达170 dB以上[2],而人耳忍受噪声的极限为120 dB。如此高强度的噪声不仅会使得士兵暂时性失聪或听力衰退,影响战场上士兵间的通信,还会严重损害士兵的身心健康,甚至造成终身残疾[2];同时,过大的噪声极易暴露射手方位。因此,为了保证官兵战士的身心健康,提高他们在战场任务中的作战表现,有必要抑制轻武器射击过程中的噪声。

在轻武器膛口加装抑制器(又称膛口消音器),是抑制武器射击噪声的有效方式。目前,国内外已列装的消音器降噪量(声插入损失)为30 dB左右,加装消音器后的射击噪声最高为130～140 dB,仍会损害射手听力,降低其作战表现。因此,提高消音器的降噪表现,仍是新时代科技强军征途中一项紧迫而重要的任务。

为改善消音器性能表现,有必要分析轻武器射击过程中噪声的来源和物理特性[3],基于此提出切实可行的消音器设计理念,并运用优化、计算机仿真、试验等方法高效准确地完成消音器的设计。

本文中综述了相关学者近年来在轻武器射击噪声特性,与消音器结构设计方面的成果,指出了射击噪声的主要部分——膛口噪声的物理本质为超音速、欠膨胀、非定常射流气动噪声。基于气动噪声特性和噪声抑制方法,提出了枪械消音器的设计方法,定义了抑制射击噪声的4个环节——“前声源”、“声源”、“传声途径”、“接收者”,并分析了枪械消音器在这4个环节的设计思路。

1 射击噪声的物理规律

对于消音器设计者,只有了解射击噪声特性,才能够理解设计任务,明确设计目标。本章节指出,射击噪声主要为火药燃气冲出膛口的膛口噪声,这种噪声属于射流气动噪声。

1.1 轻武器射击过程中噪声来源

按照来源的空间位置,可将射击噪声分为3种:膛内噪声、膛口噪声和外弹道噪声[3-5]。

1) 膛内噪声:是指在枪膛内产生的噪声,包括运动机构摩擦碰撞产生的机械噪声,火药在膛内爆炸冲击波经过枪身固体传导至外界的爆炸噪声。

2) 膛口噪声:指火药燃气经过膛口时发出的气动噪声,通常发生在子弹出膛后的短暂时间段内。

3) 外弹道噪声:指子弹出膛后与空气作用产生的噪声。

其中,膛内噪声强度较低,影响较小,在实际问题中不需要着重考虑;外弹道噪声虽然具有一定影响,但不是主要声源[4],且抑制外弹道噪声势必会降低子弹出膛速度,影响枪械性能和破坏力[6],因此外弹道噪声的优化余地有限。试验表明,射击噪声的主要来源为膛口噪声[3]。因此,抑制膛口噪声是降低射击噪声的关键。

1.2 膛口噪声特性

膛口噪声属于气动噪声。研究膛口噪声物理特性,本质是研究轻武器射击过程的火药燃气的流场特性。自20世纪70年代起,中国兵器工业集团208研究所[3-7]、南京理工大学李鸿志院士团队[8-11]和美国陆军弹道研究所[12]等机构分别开始对轻武器射击过程中膛口流场、膛口噪声与冲击波的形成机理等课题进行基于试验的探究。其中,李鸿志院士[8]提出的后效期理论和火药燃气流场模型,揭示了膛口噪声的产生过程。

李院士团队认为,膛口噪声是火药燃气流场主导的气动噪声。火药燃气流场是指子弹出膛后,弹后的火药燃气自膛内排空过程中在膛口外形成的早期、中期气流区域,如图1所示[13]。火药燃气流场的作用时期称为后效期,其起始时刻为弹底飞出膛口时,终止时刻为膛内的平均压力首次与外界大气压相等时。在后效期中,膛内高压燃气出膛口后不再受膛壁约束而剧烈膨胀,向外界急剧扩散,在膛口处首先形成以波阵面向外运动的有限幅值间断,称作膛口冲击波;随后形成高度欠膨胀的非定常、超声速射流,称作火药燃气射流。火药燃气射流与周边介质相互作用,形成膛口气流脉冲噪声,又称射流噪声。膛口冲击波与射流噪声并称为膛口压力波,是膛口噪声的主要来源。

图1 火药燃气流场示意图

膛口冲击波在传播规律上与噪声存在差异[1,14],但具有衰减快、强度仅与超压有关、声压级总是与射流噪声相近等特点,其在相关研究中经常被忽略或者归并为射流噪声[1,9,11,14]。射击噪声的组成如图2所示。其中,由火药燃气射流引起的射流噪声是主要研究和抑制对象。

图2 射击噪声的组成

1.3 膛口噪声的理论推导与强度估算

膛口噪声主要由射流噪声组成。王秉义[14-15]指出,膛口火药燃气射流的本质是超音速、欠膨胀、非定常的射流过程。该过程是一个典型的空气动力学模型,其运动控制微分方程即为Navier-Stokes方程。计算该过程的射流噪声,则为气动声学的最基本问题之一。20世纪50年代,Lighthill[16]在研究喷气发动机射流噪声的过程中,提出了声比拟理论,该理论将偏离均匀介质波运动的各项都视为流动声源,先计算声源的强度和分布,然后采用线性声学手段计算声传播过程。在推导上,首先将该过程的控制方程——N-S方程改写为非线性波动方程的形式,即

(1)

这样,式(1)右侧的可以看作等效声源,其具有4极子声源的特性。

Lighthill对该结果采用量纲分析的方法,得到了用于估算亚音速射流噪声声功率级的标度律。马大猷等[17-20]用压力参量代替速度参量,重新对Lighthill方程进行量纲分析,给出了用压力描述的标度率为

(2)

式(2)中:W为声功率级;K为无量纲比例常数;D为喷口直径;下角标1代表喷口参数,下角标0代表喷口周围的大气参数。

式(2)能够用于估算超音速射流过程的气动噪声。随后,马大猷院士[19]进一步采用实验的方法,对式(2)中K的取值进行了拟合,得到了90°方向距喷口1 m处声压级的经验公式为

(3)

式(3)中:R=p1/p0;喷嘴口径D的单位为mm。

王秉义[15]、曾永珠[21]采用式(3)对于轻武器射击产生的噪声在90°、1 m处的声压级进行了估算,并将估算结果与实验结果对比,验证了阻塞喷注公式具有一定的精度。说明该公式适用于武器射击过程,对膛口消音器的设计具有一定的指导意义。

式(3)说明,对于射流问题,喷嘴口径D的增大和压力比R的提高都将使射流噪声增加。但不可在射击噪声分析中武断地认为只要减小膛口口径D即可抑制射击噪声。因为膛口压力实际上并不是独立变量,而是受膛口尺寸和装药量等参数控制的场变量,改变膛口直径D会影响压力比R。

1.4 膛口噪声频率和指向性

了解膛口噪声的物理特性如指向性和频率特性,也有助于研究人员针对性地降低射击噪声对射手的影响。

中国兵器工业集团208研究所[3,14]进行了大量实验,测量并分析了射击噪声的频率特性和指向性,总结如下:就频率特性而言,经过大量实验证明,枪炮噪声的频谱为宽频带连续谱,并且各个频带的声能都比较高,从手枪到大口径火炮,在50～10 000 Hz的宽频带时,各个频带的声压级均在100 dB以上,频谱的峰值频率与口径呈负相关,对于7.62 mm的枪支,其频谱峰值大约在400～1 000 Hz,如图3所示;就指向性而言,经过多次多测点射击测试表明,枪炮噪声具有较强的指向性,若以膛口方向为0°,大部分声能集中在±75°方位角的范围内,在90°方位的声压级大致等于平均声压级,随着方位角的增大,声压级逐渐减小,如图4所示;且频谱特性和指向性存在耦合关系,不同方位的枪炮噪声的频谱不同,在方位角较大时,高频能量增多。

图3 7.62 mm冲锋枪射击噪声1/3倍频程谱(室外,90°,距膛口1 m)

图4 7.62 mm冲锋枪噪声指向性图(室外,距膛口2 m)

需要说明的是,上述实弹射击测试结果并没有将膛内噪声、膛口噪声和外弹道噪声加以区分,测得的声强数据被统一当作射击噪声。考虑到膛口噪声在射击噪声中占比很大,故可将上述射击噪声数据当作膛口噪声数据来看待。

膛口噪声的频率特性和指向性对于膛口装置的射击具有重要指导意义,启示设计人员利用指向性、频移、抑制峰值频率的方式,针对性地降低噪声对射手区的影响。

2 膛口消音器设计方法

本节首先说明了膛口消音器与传统消音器在声源和结构上的区别。随后以能量的观点叙述了膛口消音器的设计方法,并根据噪声控制理论,定义了抑制射击噪声的4个环节——“前声源”、“声源”、“传声途径”、“接收者”,分析了枪械消音器在这4个环节的设计思路。

2.1 膛口消音器与传统消音器的区别

一些早期膛口消音器的设计方法曾参考了历史悠久、理论完善的车辆发动机消音器的设计思路,设计效果并不理想。随着对射击噪声发生过程的深入研究,设计者们意识到这两者存在较大的差异[13,21]。两者最大的区别为声源位置的不同,车辆噪声由发动机冲程运动导致,声源位于消音器上游的发动机,如图5(a)所示;膛口噪声主要由燃气射流与周围空气剪切作用导致[8],声源位于消音器外燃气射流流场中,大致位于图5(b)所示意位置,具体位于图1的IV区域附近。

图5 车辆消音器与膛口消音器对比示意图

声源位置的不同导致了两消音器内物理过程的不同,进而使两者设计方法存在差异。车辆消音器内的主要物理过程为发动机噪声传播,其内部结构的作用对象为声波,设计目标为通过阻性吸收、抗性反射等方式,抑制声波向下游排气管传播[22]。膛口消音器内的主要物理过程为火药燃气高速流动。燃气冲出膛口后形成射流,产生膛口噪声。因此,膛口噪声并不是在消音器内传播的,而是消音器内冲出的火药燃气与外界空气相互作用产生的。所以,膛口消音器内部结构的作用对象为气流,设计目标有降低气流的速度和压力、削弱膛口冲击波、破坏膛口射流结构等。

此外,在结构上,膛口消音器必须为弹头提供通道,因此无法采用车辆消音器常用的弯曲、多级等结构[22]。

2.2 能量观点下的膛口消音器

在能量观点下,射击过程消耗的能量全部由火药燃烧产生的化学能提供。根据实验测定[7],子弹出膛时,火药燃烧的能量大约有32%转化为子弹动能,有45%以焓的形式储存在火药燃气中。对于不包含膛口消音器的轻武器,在其射击过程中,火药燃气包含的能量:一部分在完全流出前热传导到膛内;一部分在冲出膛口后对外界介质做功和热传导;一部分在膛口处转化为声能,形成膛口噪声。膛口噪声包含的能量的一部分以机械波的形式到达射手耳部而被射手感知,能量转化关系如图6所示。

图6 射击过程能量转化关系

接下来考虑加装膛口消音器后的情况。在装药量一定的前提下,加装膛口消音器前后,火药燃气携带的能量不变。因此,在能量转化的观点下,膛口消音器的设计目标为:调整火药燃气的能量分配关系,主要降低膛口噪声辐射到射手区的声能以保护射手听力,同时降低膛口噪声辐射到其他区域的声能以避免射手暴露。

根据噪声控制理论,可从“声源”、“传声途径”和“接收者”3个环节减弱噪声。但膛口噪声的声源位于消音器外,对消音器内部结构的设计不属于以上环节之一。在先后顺序上,燃气流经膛口消音器内部的时刻在射流噪声产生之前,故将内部结构的设计定义为“前声源环节”。下面将分析4个环节上膛口消音器的设计思路。

2.2.1前声源环节

前声源环节的设计思路为:在消音器膛内设置各种气流耗散结构,使得燃气焓尽可能多地耗散在消音器中。这使得火药燃气到达膛口携带的能量变少,具体表现为膛口压力降低,从而根据式(2),膛口射流噪声的声能也会降低。

上述方法常见于各种膛口消音器的设计,通常有2种手段实现:一种是通过消音器结构与气流作用,另一种是通过气流自相互作用。在相关文献[5,23-26]中常常称作阻性消音和抗性消音;事实上,其与线性声学[22]中的阻性消音器和抗性消音器是不同的。

阻性消音原理为:使消音器的内部结构与气流充分地相互作用,以摩擦、导热等方式耗散火药燃气的焓,令其在消音器膛内转化为无法变为声能的废热,进而使得火药燃气到达膛口时具有较低的焓,以供转化为声能。常见的阻性消音手段有损耗和吸热。损耗利用了气流具有黏性、会与壁面通过摩擦生热的特点,通过延长气体流道、设置多孔材料等方式增加气流在消音器腔室中运动的行程,使气流的焓通过摩擦转化为废热,从而降低火药燃气到达膛口的焓。吸热手段促进了高温气流通过消音器壁与外界介质的热传导,从而降低到达膛口的能量。贝尔实验室为M3冲锋枪研制的消音器运用了吸热原理,该消音器外壳由铜合金制作,具有良好的导热性;前后腔中缠绕有铜丝网孔,这种结构使火药燃气经铜丝时被吸热冷却,结合其他消声原理后降噪量可达30 dB[4]。除损耗和吸热原理外,也有消音器在在理念设计和实验设计中采用能量回收机制。例如华尔特公司制造的MPK 9 mm冲锋枪的实验性消音器内部含一个涡轮叶片(见图7),气流经过叶片时会对其做功、使其转动而消耗能量。

图7 MPK叶片消音器[4]

抗性消音原理为:诱导气流在膛口消音器中发生干涉、激波、湍流等自相互作用,消耗气流能量。常见的抗性消声原理有单级膨胀、多级膨胀和反射消音原理。

单级膨胀原理见诸早期消音器结构中,一战时期的捷克斯洛伐克的M61冲锋枪消音器是典型的单级膨胀消音器。该消音器主体为一个222 mm长的膨胀室,膛口配有橡胶垫,供子弹推开钻过。火药燃气经过膨胀室发生膨胀、折射、干涉等过程损失能量,然后经过预制缝隙节流排出。这种消音器是早期抑制膛口噪声的宝贵尝试,但原理单一、空间利用率低、气密性差、且对子弹的精度和杀伤力有较大影响,因而被多级膨胀消音器所取代。

采用多级膨胀原理的消音器又称作隔板消音器,其内部装有多组隔板而行程多个膨胀腔,形成具有空间周期性的突扩-突缩结构,如图8所示。空气动力学理论表明,气流在经过突缩结构时会形成压力间断面[23,25],产生激波,通过激波间断面的气流总压降低,气体能量减少。隔板消音结构简单可靠,在小口径武器上效果好,常常作为单元组件用于多原理消音器中。同时,这种结构便于参数化建模和优化设计。中国兵器工业集团208研究所[5,27]采用正交试验、拟合插值的方法,对其隔板的数量、排布间距对消音性能的影响进行优化建模,以确定最优的隔板参数,经过优化调整后的消音器降噪量可达26 dB。

图8 隔板消音器实物剖面[24]

反射消音原理是多级膨胀原理的改进,其隔板具有一定的斜度,使得气流经过时不仅会产生激波,还会改变方向,与后续气流发生干涉,进一步降低燃气能量。早期的反射消音单元结构较为复杂,例如美国20世纪70年代设计的MPK冲锋枪内部包含4个反射膨胀腔供燃气抗性耗散,其降噪量为22 dB。现在消音器中常见的消音碗结构利用的就是反射消音原理,只包含消音碗制成的消音器经过优化设计后降噪可达30 dB,已广泛列装现役部队。但是,美国OSS公司指出,采用反射消音原理的消音器会导致火药燃气燃气回流,对子弹射速和连发性能造成影响。

一些消音器结构既能够与气流交互作用、又能够诱导气流自相互作用,兼具阻性和抗性消音原理。涡流消音器[27]是其中的代表,其内部具有开孔螺片。在射击时子弹和一部分气体从螺片间的孔中射出,一部分气体会沿螺片周向运动。螺片不仅会增大这部分气流的运动行程,促进气体通过与壁面的方式阻性耗散能量;还会使气流涡流旋转,导致气流能量抗性耗散;此外,螺片还具有隔板的功能,使得弹孔——螺片间的气流通过突扩——突缩的方式相互流通,加剧气流能量抗性耗散。该原理是世界上第一个实用消音器的消音原理,经过1908年小马克沁首创,直至现在仍在采用,经过优化后的螺旋消音器降噪量可达30 dB[27]。

2.2.2声源环节

膛口是射击噪声主要发生位置,也是膛口噪声的声源所在地。从膛口抑制噪声就是从声源上抑制噪声,实现方式为:在膛口处降低流场的间断性,阻碍出膛燃气的焓向声能方向转化。王秉义[3]指出,破坏或削弱膛口冲击波、激波瓶系和紊流环,从声源上抑制膛口噪声,是消音器设计的关键环节之一。实验[3]也表明,在膛口安装法兰盘会显著提高射流噪声,而安装金属丝网或喷嘴上开径向小缺口则可有效地减小射流噪声,这肯定了从膛口抑制噪声的可行性。但几乎没有消音器采用这种方式抑制噪声,主要原因为声源处于消音器设计域的边界和外部而不便设计、超音速欠膨胀射流理论的复杂性、缺乏相应的工程设计理论和经验等。

目前,作者已知的设计膛口结构以抑制射击噪声的案例只有美国OSS消音器,其在膛口设置了如图9所示的4个螺旋导流槽,使得射流在经过膛口时发生偏转产生涡流,从而破坏了射流结构,从声源处抑制了冲击波和射流噪声的产生。结合前声源环节的降噪结构,该消音器的降噪量最高达39 dB,为已列装的消音器中降噪量之最。

图9 OSS消音器膛口结构

2.2.3传声途径和接收者环节

传播途径不在膛口消音器设计域中,但是仍可以通过设计消音器结构,来改变膛口噪声的的指向性,使噪声能量更少地朝射手区传播。在枪械设计中,有“在膛口开豁口和增加配重块以改变噪声的指向性”的相关设计经验[3],但缺少相关理论研究。

在接收者环节抑制噪声的具体途径为频移,其理论基础为人耳对噪声的主观感受不仅与声压级相关,还与声音的频率相关。马大猷[19]指出,人耳主观感受的阻塞喷注的声压级LA与该点真实声压级Lp的关系为

(4)

式(4)中:xA=D/D0,D为喷口直径,D0=1mm。

当喷口直径足够小时,噪声的主要频率范围可以移动到非常高,若能达到超声频段,将会大大降低噪声对人耳的主观影响。然而,枪械消音器必须为子弹预留弹道孔,膛口口径不能无限小,需要在消音器膛口以外的结构处运用小孔变频原理。崔正翔[26]在消音器接近膛口处的外壁,即图10中B-C段,设置了直径为1 mm的小孔变频消声段。加装这种消音器后,射击噪声的峰值频率从500 Hz转移到1 000 Hz,实际消声量8.4 dB,验证了频移降噪在膛口消音器设计上的可行性。

图10 采用小孔变频原理的膛口消音器[26]

3 结论

在轻武器膛口加装消音器能够提高射手的战场表现,降低噪声损害和暴露风险。基于轻武器射击噪声的物理规律,膛口消音器的设计目标为:调整火药燃气的能量分配关系,降低火药燃气能量在膛口向噪声声能转化。目前膛口消音器的设计以“前声源环节”为主,研究者致力于在消音器内部结构中设计损耗结构,使气流在出膛口前尽可能多地耗散能量。在声源、传声途径和接收者等3个环节仍然有较大的优化空间。

受火药燃气流场复杂性影响,在这3个环节进行设计难度较大。随着计算气动声学理论的发展和计算机仿真技术的进步,已经有研究者采用数值仿真方法研究膛口流场的声学特性,仿真结果已具有相当的精度。但膛口消音器内部流场复杂,计算带消音器的膛口流场难度大,相关领域成果全部为验证性质,且无实验对照。目前尚无研究人员采用气动声学仿真技术设计膛口消音器,更没有运用遗传算法、微粒群算法、神经网络、拓扑优化等方法对消音器结构进行参数化设计和优化的案例。

在明确设计目标后,研究人员应采用仿真技术和现代优化方法,在计算机上完成膛口消音器结构设计并进行实验,采用理论-仿真-实验相结合的手段提高消音器的降噪表现,为新时代科技强军征途贡献科研的力量。