氣動液壓平衡式水下武器發射系統噴注噪聲研究

程廣濤，張振山，孔巖峰，陽 雄

（1海軍工程大學兵器工程系，武漢 430033；2中國人民解放軍海軍第四部，北京 100086）

氣動液壓平衡式水下武器發射系統噴注噪聲研究

程廣濤1，張振山1，孔巖峰1，陽 雄2

（1海軍工程大學兵器工程系，武漢 430033；2中國人民解放軍海軍第四部，北京 100086）

根據空氣動力學與工程熱力學理論，研究了潛艇氣動液壓平衡式水下武器發射系統發射武器時噴注過程的空氣動力特性。分析了高壓氣體在氣瓶與氣缸之間的流動特性，在近似條件下建立了作為發射動力源的質量流量變化率方程。利用Lighthill方程，結合空氣動力特性，對發射過程中高壓氣體的聲學特性進行了討論，分析了氣瓶初始壓力、氣瓶容積、發射氣道因素對發射噪聲的影響，并提出了噪聲控制的方案。

氣動；武器發射系統；噴注；噪聲

1 引 言

氣動液壓平衡式武器發射裝置發射過程中有兩個特別重要的噪聲源，一是高壓空氣的能量轉換過程中氣液缸及其附屬裝置產生的機械噪聲，第二個就是發射過程中管內武器與射流引起的噪聲。美國最新研制的彈性發射裝置（液壓平衡式）以橡皮貯能的方式取代氣缸，從而實現了將發射噪聲控制在很低的水平，可見第一個噪聲源所占比重之大。由于國內發射裝置研制水平的限制，氣動液壓平衡式發射裝置仍然是主流裝備，而對其進行噪聲控制研究的重要性不言而喻。氣缸噪聲的產生可以分為兩個部分，一是由于氣缸中壓力振蕩激勵氣缸壁及壓力沖擊產生的機械噪聲，另外一部分就是氣體從氣瓶進入氣缸過程中的噴注噪聲，后者屬于空氣動力性噪聲。文中主要研究后者。

氣瓶中的高壓氣體進入氣缸的過程中，物理過程十分復雜，但對于氣瓶來講其過程實際為排空過程，而對于氣缸而言，其過程就是一個充氣做功過程。從空氣動力學的角度來講，其輻射的噪聲為噴注噪聲。當高壓氣體經過發射閥進入氣缸作功時可以將此時噴注噪聲的成因歸于間歇性排氣噪聲。關于空氣動力噪聲20世紀50年代Lighthill所作的理論工作是解決這類問題的經典，他開創性地推導出具有聲源項的波動方程公式，得到了具有體源、力源和切變應力源發聲的普遍方程。可以根據發射過程的數學模型，得到發射過程中氣體進入發射氣缸的變化規律。根據空氣動力學理論和工程熱力學理論，發射過程中氣瓶中氣體通過發射閥進入氣缸的過程可分為兩個階段，臨界過程（音速流動）與非臨界過程（亞音速流動），分別對這兩個過程的動力特性進行分析，重點討論了臨界狀態的聲學行為。

2 噴注過程的空氣動力特性研究

從氣瓶經由發射閥到氣缸做功的過程可以當作絕熱等熵過程進行處理。為簡化起見，對氣瓶和氣缸氣體作以下假設：高壓空氣為理想氣體，其間壓力和溫度均勻分布，不考慮氣體分子的動能和勢能，氣瓶內氣體流動速度為零。

根據氣體能量方程和連續性方程有[1]：

式中：Pb為氣瓶中氣體的瞬時壓力；Tb為氣瓶中氣體的瞬時熱力學溫度；mb為氣瓶中氣體的瞬時質量；K為絕熱指數。

理想條件下有：

發射閥的作用是控制與調節發射氣瓶內的壓縮空氣進入發射氣缸的流量，是發射能量控制函數，可以用一個泛函S( xf)來表示，根據工程熱力學理論，壓縮空氣從氣瓶進入氣缸可分為兩個階段進行，臨界過程及其非臨界過程。由于是等熵絕熱過程，聯立（1）、（2）式可以得到

由于假定瓶中氣體速度為零，則瓶中氣體狀態一直處于滯止狀態，根據Saint.Venant流速定律[2]

式中：Pc為氣缸中氣體壓強，Pb為瓶中氣體密度。質量流量及質量變化率可表示為：

S為有效流通面積，當氣瓶壓力與背壓比值高于臨界值時會出現“堵塞”現象，流速為當地聲速，流量維持在臨界值不變

為了獲得質量流量時間變化率，分別對（5）、（6）式對時間求導并聯立（4）、（7）式，在臨界狀態比較容易求取，但在非臨界狀態還得考慮背壓變化率，表達式變得特別復雜，為簡便，考慮到發射過程中背壓變化率遠小于氣瓶壓力變化率，在近似情況下僅考慮瓶壓的時間變化率。當然在進行數值計算時根據發射過程的數學模型比較容易獲取質量流量變化率，

綜合利用發射過程的數學模型方程組可以獲取發射過程中氣瓶氣體壓力及氣缸壓力隨時間變化的規律曲線，圖1給出了發射過程中氣瓶與氣缸壓力變化曲線，可與經典工程熱力學提供的高壓容器氣體排放數據對照，發射過程符合氣室排空變化規律，從圖中還可以看到氣缸壓力隨時間的變化率遠小于氣瓶壓力隨時間變化率，因此也印證了我們近似簡化處理（與dPb/dt相比，dPc/dt為小量）的可行性。

3 噴注過程的空氣動力輻射噪聲特性研究

圖1 發射過程氣瓶壓力與氣缸壓力隨時間變化曲線Fig.1 The pressure of vessel and cylinder

在噴注過程空氣動力特性研究的基礎上，可以利用Lighthill在1952年推導的廣義Lighthill方程求取輻射噪聲的變化規律[3]。

式中：Tij=ρuiuj+Pij-c2ρδij，并采用了張量表示法，（9）式右邊前兩項為非平穩質量流，其作用與一個單極子相當。第三項為施加在某些界面上的非平穩力的散度，具有偶極子的性質。第四項代表流體本身的湍流應力，具有四極子性質。當假定不存在質量空間分布非均勻性時，（9）式右邊第二項為零。Lighthill作出了方程的經典解釋，給出了動能轉化為聲能的三個途徑：

（1）使空間固定區域的質量引起脈動；

（2）使在固定區域的動量發生變化，即施加一個脈動的外力，為“散度”項；

（3）使穿過空間固定表面的動量通量的速率發生變化，如空間的切變應力引起的。

對于噴注過程中，脈動外力的影響比較小，因此噪聲主要構成因素是單極子和四極子源。對于Lighthill方程，式中都是未知量的微商，原則上是不可解的。可以通過量綱分析法得到聲壓與各因素之間的關系。（10）、（11）式給出了輻射聲功率與其影響因素之間的關系：

式中：M是馬赫數，代表氣流流速與當地聲速的比值；D為噴口直徑。（11）式就是關于湍流噪聲的Lighthill速度八方定律。通過對（10）、（11）式的研究可以發現在排氣的后期即非臨界過程時，隨著氣瓶中壓力的降低，流速不斷減小，總聲壓級中單極子源所占比重較高，而當噴注處于堵塞狀態時，馬赫數恒等于1，四極子源產生的輻射噪聲影響較為明顯，為高頻部分。可以根據單極子及其四極子的聲壓公式推導出其聲壓級的表達式。

根據大量氣缸排氣試驗結果[4]，排氣初期的臨界狀態的低頻噪聲比非臨界狀態低頻噪聲大得多，因此有理由認為噴注噪聲的主要低頻噪聲源是臨界狀態氣瓶排氣噪聲，而且在發射過程中臨界狀態持續的時間占主導地位。聯立（8）式與單極子聲壓公式可得臨界狀態低頻噴注輻射噪聲級可為

式中：K0為常數，Dc為噴口有效直徑，r為測點距噴口的距離。

噴注噪聲的高頻部分主要是由四極子源引起的湍流噪聲，是由應力切變引起的，聲功率服從速度的八方定律。噴注湍流噪聲聲壓級的經驗公式為：

測點距離噴注90°方向，當然根據四極子噪聲輻射規律，噪聲最大值位于與噴注軸線成30°-40°方向上。值得注意的是 （12）式與（13）式都是氣缸內場噪聲，艇外測得輻射噪聲還要考慮各種傳播途徑引起的插入損失的影響。

4 噴注噪聲的控制

由（12）式可知低頻噴注噪聲主要與噴口的直徑、噴注氣瓶瞬時壓力、氣瓶容積以及測點距噴口距離有關。噴口直徑每增加1倍，噪聲增加24dB，氣瓶壓力每增加1倍，噪聲增加6dB，氣瓶容積每增加1倍，噪聲可降低6dB，粗略估計在發射剛剛開始時刻氣缸內場噴注低頻噪聲非常大，高于160dB（距噴口10cm處），是發射噪聲的重要構成部分。（13）式表明高頻噪聲與氣瓶壓力與氣缸壓力比以及噴口直徑有關。

在實際發射過程中，在滿足給定的發射彈道要求的前提下，可以適當降低氣瓶初始壓力而增加氣瓶容積實現控制發射噪聲的目標。而施行上述措施，受艇上可利用空間的限制，工程上更為實用的方法是優化噴口設計。由于發射閥C腔（對于某型艇為B腔下腔，為方便研究只針對一型裝備）有四個特形孔控制發射氣體的流量，通過對發射控制閥C腔改進可實現控制發射噪聲，可以將C腔分隔為2個或4個獨立腔室通過獨立氣道與發射氣缸連通。在不改變噴口流通面積的前提條件下，進入氣缸的氣體質量流量不會發生改變，從而武器發射彈道參數不變，可以設計將原來的大直徑單通道變為小直徑雙通道或四通道，如圖2所示，這樣可以降低輻射噪聲水平12dB或24dB。對于雙通道為例，將原來的噴口直徑改為原來的0.707倍，增加一個發射氣道，也可以獲得較好的降噪效果，圖3給出了這種方案。

5 結 論

武器發射高壓氣體進入氣缸作功時，可分為臨界排氣與非臨界排氣兩個過程，會引起較大的噴注噪聲，是武器發射輻射噪聲的重要組成部分。噴注噪聲低頻部分由單極子源激發，高頻部分由四極子源激發。高壓氣瓶容積、初始壓力以及發射氣道設計都是影響輻射噪聲聲壓級的因素。通過合理設計發射氣道與噴口直徑優選可以降低噴注輻射噪聲。研究中為了獲得簡潔的表達式，質量流量變化率僅考慮了氣瓶壓力一階導數，后續研究可結合實驗或仿真模型獲取更精確的表達式，以及噪聲向外輻射的傳播路徑。

[1]沈維道,蔣智敏,童鈞庚.工程熱力學[M].北京:高等教育出版社,2001:101-112.

[2]侯國祥,孫江龍,王先洲等.工程流體力學[M].北京:機械出版社,2006:171-172.

[3]羅斯D.水下噪聲原理[M].北京:海洋出版社,1983:64-67.

[4]趙升噸,尚春陽,韓慧蘭,史維祥.間歇性排氣噪聲輻射特性的研究[J].聲學學報,2000(1):61-65.

Research on injection noise of aerodynamic and balanceable underwater weapon launching system

CHENG Guang-tao1,ZHANG Zhen-shan1,KONG Yan-feng1,YANG Xiong2
(1 Department of Weaponry Engineering,Navy University of Engineering,Wuhan 430033,China;2 NO.4 Department of Navy,The People's Liberation Army of China,Beijing 100086,China)

The aerodynamic characteristic of compressed air injection process is researched for hydraulic and balanceable underwater weapon launching system based on the theory of aerodynamics and thermodynamics.The dynamic behavior of high pressure air from pressure vessel to cylinder is analyzed,and the formula of air mass flow rate is obtained in a good approximation.The high pressure gas acoustic characteristic is discussed based on Lighthill equation.Then the influences of origin pressure of vessel,the volume of vessel,and the exhaust port on launching noise are analyzed,and the noise control method is given.

aerodynamic;weapon launching system;injection;noise

TJ630 TB53

A

1007-7294（2010）07-0800-05

2009-10-21

程廣濤（1980-），男，海軍工程大學兵器工程系博士研究生。