基于射擊噪聲原理的消音器設計方法研究綜述

趙 鋒,王 嘯

(1.寶色科技(深圳)有限公司, 廣東 深圳 518000; 2.清華大學, 北京 100081)

0 引言

隨著軍工科技的發展,輕武器的殺傷力、射程與實戰性能不斷提高。然而,輕武器性能的提高也使得射擊過程的噪聲不斷增大[1]。據測試,常規輕武器射擊時產生的噪聲最高可達170 dB以上[2],而人耳忍受噪聲的極限為120 dB。如此高強度的噪聲不僅會使得士兵暫時性失聰或聽力衰退,影響戰場上士兵間的通信,還會嚴重損害士兵的身心健康,甚至造成終身殘疾[2];同時,過大的噪聲極易暴露射手方位。因此,為了保證官兵戰士的身心健康,提高他們在戰場任務中的作戰表現,有必要抑制輕武器射擊過程中的噪聲。

在輕武器膛口加裝抑制器(又稱膛口消音器),是抑制武器射擊噪聲的有效方式。目前,國內外已列裝的消音器降噪量(聲插入損失)為30 dB左右,加裝消音器后的射擊噪聲最高為130～140 dB,仍會損害射手聽力,降低其作戰表現。因此,提高消音器的降噪表現,仍是新時代科技強軍征途中一項緊迫而重要的任務。

為改善消音器性能表現,有必要分析輕武器射擊過程中噪聲的來源和物理特性[3],基于此提出切實可行的消音器設計理念,并運用優化、計算機仿真、試驗等方法高效準確地完成消音器的設計。

本文中綜述了相關學者近年來在輕武器射擊噪聲特性,與消音器結構設計方面的成果,指出了射擊噪聲的主要部分——膛口噪聲的物理本質為超音速、欠膨脹、非定常射流氣動噪聲。基于氣動噪聲特性和噪聲抑制方法,提出了槍械消音器的設計方法,定義了抑制射擊噪聲的4個環節——“前聲源”、“聲源”、“傳聲途徑”、“接收者”,并分析了槍械消音器在這4個環節的設計思路。

1 射擊噪聲的物理規律

對于消音器設計者,只有了解射擊噪聲特性,才能夠理解設計任務,明確設計目標。本章節指出,射擊噪聲主要為火藥燃氣沖出膛口的膛口噪聲,這種噪聲屬于射流氣動噪聲。

1.1 輕武器射擊過程中噪聲來源

按照來源的空間位置,可將射擊噪聲分為3種:膛內噪聲、膛口噪聲和外彈道噪聲[3-5]。

1) 膛內噪聲:是指在槍膛內產生的噪聲,包括運動機構摩擦碰撞產生的機械噪聲,火藥在膛內爆炸沖擊波經過槍身固體傳導至外界的爆炸噪聲。

2) 膛口噪聲:指火藥燃氣經過膛口時發出的氣動噪聲,通常發生在子彈出膛后的短暫時間段內。

3) 外彈道噪聲:指子彈出膛后與空氣作用產生的噪聲。

其中,膛內噪聲強度較低,影響較小,在實際問題中不需要著重考慮;外彈道噪聲雖然具有一定影響,但不是主要聲源[4],且抑制外彈道噪聲勢必會降低子彈出膛速度,影響槍械性能和破壞力[6],因此外彈道噪聲的優化余地有限。試驗表明,射擊噪聲的主要來源為膛口噪聲[3]。因此,抑制膛口噪聲是降低射擊噪聲的關鍵。

1.2 膛口噪聲特性

膛口噪聲屬于氣動噪聲。研究膛口噪聲物理特性,本質是研究輕武器射擊過程的火藥燃氣的流場特性。自20世紀70年代起,中國兵器工業集團208研究所[3-7]、南京理工大學李鴻志院士團隊[8-11]和美國陸軍彈道研究所[12]等機構分別開始對輕武器射擊過程中膛口流場、膛口噪聲與沖擊波的形成機理等課題進行基于試驗的探究。其中,李鴻志院士[8]提出的后效期理論和火藥燃氣流場模型,揭示了膛口噪聲的產生過程。

李院士團隊認為,膛口噪聲是火藥燃氣流場主導的氣動噪聲。火藥燃氣流場是指子彈出膛后,彈后的火藥燃氣自膛內排空過程中在膛口外形成的早期、中期氣流區域,如圖1所示[13]。火藥燃氣流場的作用時期稱為后效期,其起始時刻為彈底飛出膛口時,終止時刻為膛內的平均壓力首次與外界大氣壓相等時。在后效期中,膛內高壓燃氣出膛口后不再受膛壁約束而劇烈膨脹,向外界急劇擴散,在膛口處首先形成以波陣面向外運動的有限幅值間斷,稱作膛口沖擊波;隨后形成高度欠膨脹的非定常、超聲速射流,稱作火藥燃氣射流。火藥燃氣射流與周邊介質相互作用,形成膛口氣流脈沖噪聲,又稱射流噪聲。膛口沖擊波與射流噪聲并稱為膛口壓力波,是膛口噪聲的主要來源。

圖1 火藥燃氣流場示意圖

膛口沖擊波在傳播規律上與噪聲存在差異[1,14],但具有衰減快、強度僅與超壓有關、聲壓級總是與射流噪聲相近等特點,其在相關研究中經常被忽略或者歸并為射流噪聲[1,9,11,14]。射擊噪聲的組成如圖2所示。其中,由火藥燃氣射流引起的射流噪聲是主要研究和抑制對象。

圖2 射擊噪聲的組成

1.3 膛口噪聲的理論推導與強度估算

膛口噪聲主要由射流噪聲組成。王秉義[14-15]指出,膛口火藥燃氣射流的本質是超音速、欠膨脹、非定常的射流過程。該過程是一個典型的空氣動力學模型,其運動控制微分方程即為Navier-Stokes方程。計算該過程的射流噪聲,則為氣動聲學的最基本問題之一。20世紀50年代,Lighthill[16]在研究噴氣發動機射流噪聲的過程中,提出了聲比擬理論,該理論將偏離均勻介質波運動的各項都視為流動聲源,先計算聲源的強度和分布,然后采用線性聲學手段計算聲傳播過程。在推導上,首先將該過程的控制方程——N-S方程改寫為非線性波動方程的形式,即

(1)

這樣,式(1)右側的可以看作等效聲源,其具有4極子聲源的特性。

Lighthill對該結果采用量綱分析的方法,得到了用于估算亞音速射流噪聲聲功率級的標度律。馬大猷等[17-20]用壓力參量代替速度參量,重新對Lighthill方程進行量綱分析,給出了用壓力描述的標度率為

(2)

式(2)中:W為聲功率級;K為無量綱比例常數;D為噴口直徑;下角標1代表噴口參數,下角標0代表噴口周圍的大氣參數。

式(2)能夠用于估算超音速射流過程的氣動噪聲。隨后,馬大猷院士[19]進一步采用實驗的方法,對式(2)中K的取值進行了擬合,得到了90°方向距噴口1 m處聲壓級的經驗公式為

(3)

式(3)中:R=p1/p0;噴嘴口徑D的單位為mm。

王秉義[15]、曾永珠[21]采用式(3)對于輕武器射擊產生的噪聲在90°、1 m處的聲壓級進行了估算,并將估算結果與實驗結果對比,驗證了阻塞噴注公式具有一定的精度。說明該公式適用于武器射擊過程,對膛口消音器的設計具有一定的指導意義。

式(3)說明,對于射流問題,噴嘴口徑D的增大和壓力比R的提高都將使射流噪聲增加。但不可在射擊噪聲分析中武斷地認為只要減小膛口口徑D即可抑制射擊噪聲。因為膛口壓力實際上并不是獨立變量,而是受膛口尺寸和裝藥量等參數控制的場變量,改變膛口直徑D會影響壓力比R。

1.4 膛口噪聲頻率和指向性

了解膛口噪聲的物理特性如指向性和頻率特性,也有助于研究人員針對性地降低射擊噪聲對射手的影響。

中國兵器工業集團208研究所[3,14]進行了大量實驗,測量并分析了射擊噪聲的頻率特性和指向性,總結如下:就頻率特性而言,經過大量實驗證明,槍炮噪聲的頻譜為寬頻帶連續譜,并且各個頻帶的聲能都比較高,從手槍到大口徑火炮,在50～10 000 Hz的寬頻帶時,各個頻帶的聲壓級均在100 dB以上,頻譜的峰值頻率與口徑呈負相關,對于7.62 mm的槍支,其頻譜峰值大約在400～1 000 Hz,如圖3所示;就指向性而言,經過多次多測點射擊測試表明,槍炮噪聲具有較強的指向性,若以膛口方向為0°,大部分聲能集中在±75°方位角的范圍內,在90°方位的聲壓級大致等于平均聲壓級,隨著方位角的增大,聲壓級逐漸減小,如圖4所示;且頻譜特性和指向性存在耦合關系,不同方位的槍炮噪聲的頻譜不同,在方位角較大時,高頻能量增多。

圖3 7.62 mm沖鋒槍射擊噪聲1/3倍頻程譜(室外,90°,距膛口1 m)

圖4 7.62 mm沖鋒槍噪聲指向性圖(室外,距膛口2 m)

需要說明的是,上述實彈射擊測試結果并沒有將膛內噪聲、膛口噪聲和外彈道噪聲加以區分,測得的聲強數據被統一當作射擊噪聲。考慮到膛口噪聲在射擊噪聲中占比很大,故可將上述射擊噪聲數據當作膛口噪聲數據來看待。

膛口噪聲的頻率特性和指向性對于膛口裝置的射擊具有重要指導意義,啟示設計人員利用指向性、頻移、抑制峰值頻率的方式,針對性地降低噪聲對射手區的影響。

2 膛口消音器設計方法

本節首先說明了膛口消音器與傳統消音器在聲源和結構上的區別。隨后以能量的觀點敘述了膛口消音器的設計方法,并根據噪聲控制理論,定義了抑制射擊噪聲的4個環節——“前聲源”、“聲源”、“傳聲途徑”、“接收者”,分析了槍械消音器在這4個環節的設計思路。

2.1 膛口消音器與傳統消音器的區別

一些早期膛口消音器的設計方法曾參考了歷史悠久、理論完善的車輛發動機消音器的設計思路,設計效果并不理想。隨著對射擊噪聲發生過程的深入研究,設計者們意識到這兩者存在較大的差異[13,21]。兩者最大的區別為聲源位置的不同,車輛噪聲由發動機沖程運動導致,聲源位于消音器上游的發動機,如圖5(a)所示;膛口噪聲主要由燃氣射流與周圍空氣剪切作用導致[8],聲源位于消音器外燃氣射流流場中,大致位于圖5(b)所示意位置,具體位于圖1的IV區域附近。

圖5 車輛消音器與膛口消音器對比示意圖

聲源位置的不同導致了兩消音器內物理過程的不同,進而使兩者設計方法存在差異。車輛消音器內的主要物理過程為發動機噪聲傳播,其內部結構的作用對象為聲波,設計目標為通過阻性吸收、抗性反射等方式,抑制聲波向下游排氣管傳播[22]。膛口消音器內的主要物理過程為火藥燃氣高速流動。燃氣沖出膛口后形成射流,產生膛口噪聲。因此,膛口噪聲并不是在消音器內傳播的,而是消音器內沖出的火藥燃氣與外界空氣相互作用產生的。所以,膛口消音器內部結構的作用對象為氣流,設計目標有降低氣流的速度和壓力、削弱膛口沖擊波、破壞膛口射流結構等。

此外,在結構上,膛口消音器必須為彈頭提供通道,因此無法采用車輛消音器常用的彎曲、多級等結構[22]。

2.2 能量觀點下的膛口消音器

在能量觀點下,射擊過程消耗的能量全部由火藥燃燒產生的化學能提供。根據實驗測定[7],子彈出膛時,火藥燃燒的能量大約有32%轉化為子彈動能,有45%以焓的形式儲存在火藥燃氣中。對于不包含膛口消音器的輕武器,在其射擊過程中,火藥燃氣包含的能量:一部分在完全流出前熱傳導到膛內;一部分在沖出膛口后對外界介質做功和熱傳導;一部分在膛口處轉化為聲能,形成膛口噪聲。膛口噪聲包含的能量的一部分以機械波的形式到達射手耳部而被射手感知,能量轉化關系如圖6所示。

圖6 射擊過程能量轉化關系

接下來考慮加裝膛口消音器后的情況。在裝藥量一定的前提下,加裝膛口消音器前后,火藥燃氣攜帶的能量不變。因此,在能量轉化的觀點下,膛口消音器的設計目標為:調整火藥燃氣的能量分配關系,主要降低膛口噪聲輻射到射手區的聲能以保護射手聽力,同時降低膛口噪聲輻射到其他區域的聲能以避免射手暴露。

根據噪聲控制理論,可從“聲源”、“傳聲途徑”和“接收者”3個環節減弱噪聲。但膛口噪聲的聲源位于消音器外,對消音器內部結構的設計不屬于以上環節之一。在先后順序上,燃氣流經膛口消音器內部的時刻在射流噪聲產生之前,故將內部結構的設計定義為“前聲源環節”。下面將分析4個環節上膛口消音器的設計思路。

2.2.1前聲源環節

前聲源環節的設計思路為:在消音器膛內設置各種氣流耗散結構,使得燃氣焓盡可能多地耗散在消音器中。這使得火藥燃氣到達膛口攜帶的能量變少,具體表現為膛口壓力降低,從而根據式(2),膛口射流噪聲的聲能也會降低。

上述方法常見于各種膛口消音器的設計,通常有2種手段實現:一種是通過消音器結構與氣流作用,另一種是通過氣流自相互作用。在相關文獻[5,23-26]中常常稱作阻性消音和抗性消音;事實上,其與線性聲學[22]中的阻性消音器和抗性消音器是不同的。

阻性消音原理為:使消音器的內部結構與氣流充分地相互作用,以摩擦、導熱等方式耗散火藥燃氣的焓,令其在消音器膛內轉化為無法變為聲能的廢熱,進而使得火藥燃氣到達膛口時具有較低的焓,以供轉化為聲能。常見的阻性消音手段有損耗和吸熱。損耗利用了氣流具有黏性、會與壁面通過摩擦生熱的特點,通過延長氣體流道、設置多孔材料等方式增加氣流在消音器腔室中運動的行程,使氣流的焓通過摩擦轉化為廢熱,從而降低火藥燃氣到達膛口的焓。吸熱手段促進了高溫氣流通過消音器壁與外界介質的熱傳導,從而降低到達膛口的能量。貝爾實驗室為M3沖鋒槍研制的消音器運用了吸熱原理,該消音器外殼由銅合金制作,具有良好的導熱性;前后腔中纏繞有銅絲網孔,這種結構使火藥燃氣經銅絲時被吸熱冷卻,結合其他消聲原理后降噪量可達30 dB[4]。除損耗和吸熱原理外,也有消音器在在理念設計和實驗設計中采用能量回收機制。例如華爾特公司制造的MPK 9 mm沖鋒槍的實驗性消音器內部含一個渦輪葉片(見圖7),氣流經過葉片時會對其做功、使其轉動而消耗能量。

圖7 MPK葉片消音器[4]

抗性消音原理為:誘導氣流在膛口消音器中發生干涉、激波、湍流等自相互作用,消耗氣流能量。常見的抗性消聲原理有單級膨脹、多級膨脹和反射消音原理。

單級膨脹原理見諸早期消音器結構中,一戰時期的捷克斯洛伐克的M61沖鋒槍消音器是典型的單級膨脹消音器。該消音器主體為一個222 mm長的膨脹室,膛口配有橡膠墊,供子彈推開鉆過。火藥燃氣經過膨脹室發生膨脹、折射、干涉等過程損失能量,然后經過預制縫隙節流排出。這種消音器是早期抑制膛口噪聲的寶貴嘗試,但原理單一、空間利用率低、氣密性差、且對子彈的精度和殺傷力有較大影響,因而被多級膨脹消音器所取代。

采用多級膨脹原理的消音器又稱作隔板消音器,其內部裝有多組隔板而行程多個膨脹腔,形成具有空間周期性的突擴-突縮結構,如圖8所示。空氣動力學理論表明,氣流在經過突縮結構時會形成壓力間斷面[23,25],產生激波,通過激波間斷面的氣流總壓降低,氣體能量減少。隔板消音結構簡單可靠,在小口徑武器上效果好,常常作為單元組件用于多原理消音器中。同時,這種結構便于參數化建模和優化設計。中國兵器工業集團208研究所[5,27]采用正交試驗、擬合插值的方法,對其隔板的數量、排布間距對消音性能的影響進行優化建模,以確定最優的隔板參數,經過優化調整后的消音器降噪量可達26 dB。

圖8 隔板消音器實物剖面[24]

反射消音原理是多級膨脹原理的改進,其隔板具有一定的斜度,使得氣流經過時不僅會產生激波,還會改變方向,與后續氣流發生干涉,進一步降低燃氣能量。早期的反射消音單元結構較為復雜,例如美國20世紀70年代設計的MPK沖鋒槍內部包含4個反射膨脹腔供燃氣抗性耗散,其降噪量為22 dB。現在消音器中常見的消音碗結構利用的就是反射消音原理,只包含消音碗制成的消音器經過優化設計后降噪可達30 dB,已廣泛列裝現役部隊。但是,美國OSS公司指出,采用反射消音原理的消音器會導致火藥燃氣燃氣回流,對子彈射速和連發性能造成影響。

一些消音器結構既能夠與氣流交互作用、又能夠誘導氣流自相互作用,兼具阻性和抗性消音原理。渦流消音器[27]是其中的代表,其內部具有開孔螺片。在射擊時子彈和一部分氣體從螺片間的孔中射出,一部分氣體會沿螺片周向運動。螺片不僅會增大這部分氣流的運動行程,促進氣體通過與壁面的方式阻性耗散能量;還會使氣流渦流旋轉,導致氣流能量抗性耗散;此外,螺片還具有隔板的功能,使得彈孔——螺片間的氣流通過突擴——突縮的方式相互流通,加劇氣流能量抗性耗散。該原理是世界上第一個實用消音器的消音原理,經過1908年小馬克沁首創,直至現在仍在采用,經過優化后的螺旋消音器降噪量可達30 dB[27]。

2.2.2聲源環節

膛口是射擊噪聲主要發生位置,也是膛口噪聲的聲源所在地。從膛口抑制噪聲就是從聲源上抑制噪聲,實現方式為:在膛口處降低流場的間斷性,阻礙出膛燃氣的焓向聲能方向轉化。王秉義[3]指出,破壞或削弱膛口沖擊波、激波瓶系和紊流環,從聲源上抑制膛口噪聲,是消音器設計的關鍵環節之一。實驗[3]也表明,在膛口安裝法蘭盤會顯著提高射流噪聲,而安裝金屬絲網或噴嘴上開徑向小缺口則可有效地減小射流噪聲,這肯定了從膛口抑制噪聲的可行性。但幾乎沒有消音器采用這種方式抑制噪聲,主要原因為聲源處于消音器設計域的邊界和外部而不便設計、超音速欠膨脹射流理論的復雜性、缺乏相應的工程設計理論和經驗等。

目前,作者已知的設計膛口結構以抑制射擊噪聲的案例只有美國OSS消音器,其在膛口設置了如圖9所示的4個螺旋導流槽,使得射流在經過膛口時發生偏轉產生渦流,從而破壞了射流結構,從聲源處抑制了沖擊波和射流噪聲的產生。結合前聲源環節的降噪結構,該消音器的降噪量最高達39 dB,為已列裝的消音器中降噪量之最。

圖9 OSS消音器膛口結構

2.2.3傳聲途徑和接收者環節

傳播途徑不在膛口消音器設計域中,但是仍可以通過設計消音器結構,來改變膛口噪聲的的指向性,使噪聲能量更少地朝射手區傳播。在槍械設計中,有“在膛口開豁口和增加配重塊以改變噪聲的指向性”的相關設計經驗[3],但缺少相關理論研究。

在接收者環節抑制噪聲的具體途徑為頻移,其理論基礎為人耳對噪聲的主觀感受不僅與聲壓級相關,還與聲音的頻率相關。馬大猷[19]指出,人耳主觀感受的阻塞噴注的聲壓級LA與該點真實聲壓級Lp的關系為

(4)

式(4)中:xA=D/D0,D為噴口直徑,D0=1mm。

當噴口直徑足夠小時,噪聲的主要頻率范圍可以移動到非常高,若能達到超聲頻段,將會大大降低噪聲對人耳的主觀影響。然而,槍械消音器必須為子彈預留彈道孔,膛口口徑不能無限小,需要在消音器膛口以外的結構處運用小孔變頻原理。崔正翔[26]在消音器接近膛口處的外壁,即圖10中B-C段,設置了直徑為1 mm的小孔變頻消聲段。加裝這種消音器后,射擊噪聲的峰值頻率從500 Hz轉移到1 000 Hz,實際消聲量8.4 dB,驗證了頻移降噪在膛口消音器設計上的可行性。

圖10 采用小孔變頻原理的膛口消音器[26]

3 結論

在輕武器膛口加裝消音器能夠提高射手的戰場表現,降低噪聲損害和暴露風險。基于輕武器射擊噪聲的物理規律,膛口消音器的設計目標為:調整火藥燃氣的能量分配關系,降低火藥燃氣能量在膛口向噪聲聲能轉化。目前膛口消音器的設計以“前聲源環節”為主,研究者致力于在消音器內部結構中設計損耗結構,使氣流在出膛口前盡可能多地耗散能量。在聲源、傳聲途徑和接收者等3個環節仍然有較大的優化空間。

受火藥燃氣流場復雜性影響,在這3個環節進行設計難度較大。隨著計算氣動聲學理論的發展和計算機仿真技術的進步,已經有研究者采用數值仿真方法研究膛口流場的聲學特性,仿真結果已具有相當的精度。但膛口消音器內部流場復雜,計算帶消音器的膛口流場難度大,相關領域成果全部為驗證性質,且無實驗對照。目前尚無研究人員采用氣動聲學仿真技術設計膛口消音器,更沒有運用遺傳算法、微粒群算法、神經網絡、拓撲優化等方法對消音器結構進行參數化設計和優化的案例。

在明確設計目標后,研究人員應采用仿真技術和現代優化方法,在計算機上完成膛口消音器結構設計并進行實驗,采用理論-仿真-實驗相結合的手段提高消音器的降噪表現,為新時代科技強軍征途貢獻科研的力量。