基于射擊噪聲原理的消音器設(shè)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(xué), 北京 100081)

0 引言

隨著軍工科技的發(fā)展,輕武器的殺傷力、射程與實戰(zhàn)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(jù)測試,常規(guī)輕武器射擊時產(chǎn)生的噪聲最高可達(dá)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(zhàn)場上士兵間的通信,還會嚴(yán)重?fù)p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(zhàn)士的身心健康,提高他們在戰(zhàn)場任務(wù)中的作戰(zhàn)表現(xiàn),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(nèi)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(zhàn)表現(xiàn)。因此,提高消音器的降噪表現(xiàn),仍是新時代科技強軍征途中一項緊迫而重要的任務(wù)。

為改善消音器性能表現(xiàn),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(shè)計理念,并運用優(yōu)化、計算機仿真、試驗等方法高效準(zhǔn)確地完成消音器的設(shè)計。

本文中綜述了相關(guān)學(xué)者近年來在輕武器射擊噪聲特性,與消音器結(jié)構(gòu)設(shè)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(zhì)為超音速、欠膨脹、非定常射流氣動噪聲?；跉鈩釉肼曁匦院驮肼曇种品椒?提出了槍械消音器的設(shè)計方法,定義了抑制射擊噪聲的4個環(huán)節(jié)——“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(huán)節(jié)的設(shè)計思路。

1 射擊噪聲的物理規(guī)律

對于消音器設(shè)計者,只有了解射擊噪聲特性,才能夠理解設(shè)計任務(wù),明確設(shè)計目標(biāo)。本章節(jié)指出,射擊噪聲主要為火藥燃?xì)鉀_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(nèi)噪聲、膛口噪聲和外彈道噪聲[3-5]。

1) 膛內(nèi)噪聲:是指在槍膛內(nèi)產(chǎn)生的噪聲,包括運動機構(gòu)摩擦碰撞產(chǎn)生的機械噪聲,火藥在膛內(nèi)爆炸沖擊波經(jīng)過槍身固體傳導(dǎo)至外界的爆炸噪聲。

2) 膛口噪聲:指火藥燃?xì)饨?jīng)過膛口時發(fā)出的氣動噪聲,通常發(fā)生在子彈出膛后的短暫時間段內(nèi)。

3) 外彈道噪聲:指子彈出膛后與空氣作用產(chǎn)生的噪聲。

其中,膛內(nèi)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(yōu)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(guān)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(zhì)是研究輕武器射擊過程的火藥燃?xì)獾牧鲌鎏匦?。?0世紀(jì)70年代起,中國兵器工業(yè)集團208研究所[3-7]、南京理工大學(xué)李鴻志院士團隊[8-11]和美國陸軍彈道研究所[12]等機構(gòu)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(jìn)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?xì)饬鲌瞿Ｐ?揭示了膛口噪聲的產(chǎn)生過程。

李院士團隊認(rèn)為,膛口噪聲是火藥燃?xì)饬鲌鲋鲗?dǎo)的氣動噪聲?；鹚幦?xì)饬鲌鍪侵缸訌棾鎏藕?彈后的火藥燃?xì)庾蕴艃?nèi)排空過程中在膛口外形成的早期、中期氣流區(qū)域,如圖1所示[13]。火藥燃?xì)饬鲌龅淖饔脮r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(nèi)的平均壓力首次與外界大氣壓相等時。在后效期中,膛內(nèi)高壓燃?xì)獬鎏趴诤蟛辉偈芴疟诩s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?xì)馍淞?。火藥燃?xì)馍淞髋c周邊介質(zhì)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?xì)饬鲌鍪疽鈭D

膛口沖擊波在傳播規(guī)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(guān)、聲壓級總是與射流噪聲相近等特點,其在相關(guān)研究中經(jīng)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?xì)馍淞饕鸬纳淞髟肼暿侵饕芯亢鸵种茖ο蟆?/p>

圖2 射擊噪聲的組成

1.3 膛口噪聲的理論推導(dǎo)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?xì)馍淞鞯谋举|(zhì)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(xué)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(xué)的最基本問題之一。20世紀(jì)50年代,Lighthill[16]在研究噴氣發(fā)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(zhì)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(xué)手段計算聲傳播過程。在推導(dǎo)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(cè)的可以看作等效聲源,其具有4極子聲源的特性。

Lighthill對該結(jié)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(biāo)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(jìn)行量綱分析,給出了用壓力描述的標(biāo)度率為

(2)

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

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(jìn)一步采用實驗的方法,對式(2)中K的取值進(jìn)行了擬合,得到了90°方向距噴口1 m處聲壓級的經(jīng)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(chǎn)生的噪聲在90°、1 m處的聲壓級進(jìn)行了估算,并將估算結(jié)果與實驗結(jié)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(shè)計具有一定的指導(dǎo)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(rèn)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(shù)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(yè)集團208研究所[3,14]進(jìn)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(jié)如下:就頻率特性而言,經(jīng)過大量實驗證明,槍炮噪聲的頻譜為寬頻帶連續(xù)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(fù)相關(guān),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(jīng)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(nèi),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(guān)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(jié)果并沒有將膛內(nèi)噪聲、膛口噪聲和外彈道噪聲加以區(qū)分,測得的聲強數(shù)據(jù)被統(tǒng)一當(dāng)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(shù)據(jù)當(dāng)作膛口噪聲數(shù)據(jù)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(dǎo)意義,啟示設(shè)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(qū)的影響。

2 膛口消音器設(shè)計方法

本節(jié)首先說明了膛口消音器與傳統(tǒng)消音器在聲源和結(jié)構(gòu)上的區(qū)別。隨后以能量的觀點敘述了膛口消音器的設(shè)計方法,并根據(jù)噪聲控制理論,定義了抑制射擊噪聲的4個環(huán)節(jié)——“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(huán)節(jié)的設(shè)計思路。

2.1 膛口消音器與傳統(tǒng)消音器的區(qū)別

一些早期膛口消音器的設(shè)計方法曾參考了歷史悠久、理論完善的車輛發(fā)動機消音器的設(shè)計思路,設(shè)計效果并不理想。隨著對射擊噪聲發(fā)生過程的深入研究,設(shè)計者們意識到這兩者存在較大的差異[13,21]。兩者最大的區(qū)別為聲源位置的不同,車輛噪聲由發(fā)動機沖程運動導(dǎo)致,聲源位于消音器上游的發(fā)動機,如圖5(a)所示;膛口噪聲主要由燃?xì)馍淞髋c周圍空氣剪切作用導(dǎo)致[8],聲源位于消音器外燃?xì)馍淞髁鲌鲋?大致位于圖5(b)所示意位置,具體位于圖1的IV區(qū)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(dǎo)致了兩消音器內(nèi)物理過程的不同,進(jìn)而使兩者設(shè)計方法存在差異。車輛消音器內(nèi)的主要物理過程為發(fā)動機噪聲傳播,其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用對象為聲波,設(shè)計目標(biāo)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(nèi)的主要物理過程為火藥燃?xì)飧咚倭鲃?。燃?xì)鉀_出膛口后形成射流,產(chǎn)生膛口噪聲。因此,膛口噪聲并不是在消音器內(nèi)傳播的,而是消音器內(nèi)沖出的火藥燃?xì)馀c外界空氣相互作用產(chǎn)生的。所以,膛口消音器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用對象為氣流,設(shè)計目標(biāo)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(jié)構(gòu)等。

此外,在結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)[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(chǎn)生的化學(xué)能提供。根據(jù)實驗測定[7],子彈出膛時,火藥燃燒的能量大約有32%轉(zhuǎn)化為子彈動能,有45%以焓的形式儲存在火藥燃?xì)庵?。對于不包含膛口消音器的輕武器,在其射擊過程中,火藥燃?xì)獍哪芰?一部分在完全流出前熱傳導(dǎo)到膛內(nèi);一部分在沖出膛口后對外界介質(zhì)做功和熱傳導(dǎo);一部分在膛口處轉(zhuǎn)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(dá)射手耳部而被射手感知,能量轉(zhuǎn)化關(guān)系如圖6所示。

圖6 射擊過程能量轉(zhuǎn)化關(guān)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?xì)鈹y帶的能量不變。因此,在能量轉(zhuǎn)化的觀點下,膛口消音器的設(shè)計目標(biāo)為:調(diào)整火藥燃?xì)獾哪芰糠峙潢P(guān)系,主要降低膛口噪聲輻射到射手區(qū)的聲能以保護射手聽力,同時降低膛口噪聲輻射到其他區(qū)域的聲能以避免射手暴露。

根據(jù)噪聲控制理論,可從“聲源”、“傳聲途徑”和“接收者”3個環(huán)節(jié)減弱噪聲。但膛口噪聲的聲源位于消音器外,對消音器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計不屬于以上環(huán)節(jié)之一。在先后順序上,燃?xì)饬鹘?jīng)膛口消音器內(nèi)部的時刻在射流噪聲產(chǎn)生之前,故將內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計定義為“前聲源環(huán)節(jié)”。下面將分析4個環(huán)節(jié)上膛口消音器的設(shè)計思路。

2.2.1前聲源環(huán)節(jié)

前聲源環(huán)節(jié)的設(shè)計思路為:在消音器膛內(nèi)設(shè)置各種氣流耗散結(jié)構(gòu),使得燃?xì)忪时M可能多地耗散在消音器中。這使得火藥燃?xì)獾竭_(dá)膛口攜帶的能量變少,具體表現(xiàn)為膛口壓力降低,從而根據(jù)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(shè)計,通常有2種手段實現(xiàn):一種是通過消音器結(jié)構(gòu)與氣流作用,另一種是通過氣流自相互作用。在相關(guān)文獻(xiàn)[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(xué)[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(nèi)部結(jié)構(gòu)與氣流充分地相互作用,以摩擦、導(dǎo)熱等方式耗散火藥燃?xì)獾撵?令其在消音器膛內(nèi)轉(zhuǎn)化為無法變?yōu)槁暷艿膹U熱,進(jìn)而使得火藥燃?xì)獾竭_(dá)膛口時具有較低的焓,以供轉(zhuǎn)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(shè)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(zhuǎn)化為廢熱,從而降低火藥燃?xì)獾竭_(dá)膛口的焓。吸熱手段促進(jìn)了高溫氣流通過消音器壁與外界介質(zhì)的熱傳導(dǎo),從而降低到達(dá)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(dǎo)熱性;前后腔中纏繞有銅絲網(wǎng)孔,這種結(jié)構(gòu)使火藥燃?xì)饨?jīng)銅絲時被吸熱冷卻,結(jié)合其他消聲原理后降噪量可達(dá)30 dB[4]。除損耗和吸熱原理外,也有消音器在在理念設(shè)計和實驗設(shè)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(nèi)部含一個渦輪葉片(見圖7),氣流經(jīng)過葉片時會對其做功、使其轉(zhuǎn)動而消耗能量。

圖7 MPK葉片消音器[4]

抗性消音原理為:誘導(dǎo)氣流在膛口消音器中發(fā)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(jié)構(gòu)中,一戰(zhàn)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?xì)饨?jīng)過膨脹室發(fā)生膨脹、折射、干涉等過程損失能量,然后經(jīng)過預(yù)制縫隙節(jié)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(nèi)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(jié)構(gòu),如圖8所示?？諝鈩恿W(xué)理論表明,氣流在經(jīng)過突縮結(jié)構(gòu)時會形成壓力間斷面[23,25],產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)便于參數(shù)化建模和優(yōu)化設(shè)計。中國兵器工業(yè)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(shù)量、排布間距對消音性能的影響進(jìn)行優(yōu)化建模,以確定最優(yōu)的隔板參數(shù),經(jīng)過優(yōu)化調(diào)整后的消音器降噪量可達(dá)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(jìn),其隔板具有一定的斜度,使得氣流經(jīng)過時不僅會產(chǎn)生激波,還會改變方向,與后續(xù)氣流發(fā)生干涉,進(jìn)一步降低燃?xì)饽芰俊Ｔ缙诘姆瓷湎魡卧Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,例如美國20世紀(jì)70年代設(shè)計的MPK沖鋒槍內(nèi)部包含4個反射膨脹腔供燃?xì)饪剐院纳?其降噪量為22 dB?，F(xiàn)在消音器中常見的消音碗結(jié)構(gòu)利用的就是反射消音原理,只包含消音碗制成的消音器經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后降噪可達(dá)30 dB,已廣泛列裝現(xiàn)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(dǎo)致火藥燃?xì)馊細(xì)饣亓?對子彈射速和連發(fā)性能造成影響。

一些消音器結(jié)構(gòu)既能夠與氣流交互作用、又能夠誘導(dǎo)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(nèi)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(jìn)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(zhuǎn),導(dǎo)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(jīng)過1908年小馬克沁首創(chuàng),直至現(xiàn)在仍在采用,經(jīng)過優(yōu)化后的螺旋消音器降噪量可達(dá)30 dB[27]。

2.2.2聲源環(huán)節(jié)

膛口是射擊噪聲主要發(fā)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(xiàn)方式為:在膛口處降低流場的間斷性,阻礙出膛燃?xì)獾撵氏蚵暷芊较蜣D(zhuǎn)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(huán),從聲源上抑制膛口噪聲,是消音器設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)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(wǎng)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(shè)計域的邊界和外部而不便設(shè)計、超音速欠膨脹射流理論的復(fù)雜性、缺乏相應(yīng)的工程設(shè)計理論和經(jīng)驗等。

目前,作者已知的設(shè)計膛口結(jié)構(gòu)以抑制射擊噪聲的案例只有美國OSS消音器,其在膛口設(shè)置了如圖9所示的4個螺旋導(dǎo)流槽,使得射流在經(jīng)過膛口時發(fā)生偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生渦流,從而破壞了射流結(jié)構(gòu),從聲源處抑制了沖擊波和射流噪聲的產(chǎn)生。結(jié)合前聲源環(huán)節(jié)的降噪結(jié)構(gòu),該消音器的降噪量最高達(dá)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(jié)構(gòu)

2.2.3傳聲途徑和接收者環(huán)節(jié)

傳播途徑不在膛口消音器設(shè)計域中,但是仍可以通過設(shè)計消音器結(jié)構(gòu),來改變膛口噪聲的的指向性,使噪聲能量更少地朝射手區(qū)傳播。在槍械設(shè)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(guān)設(shè)計經(jīng)驗[3],但缺少相關(guān)理論研究。

在接收者環(huán)節(jié)抑制噪聲的具體途徑為頻移,其理論基礎(chǔ)為人耳對噪聲的主觀感受不僅與聲壓級相關(guān),還與聲音的頻率相關(guān)。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(guān)系為

(4)

式(4)中:xA=D/D0,D為噴口直徑,D0=1mm。

當(dāng)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(dá)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(yù)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(jié)構(gòu)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(shè)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(zhuǎn)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(shè)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(jié)論

在輕武器膛口加裝消音器能夠提高射手的戰(zhàn)場表現(xiàn),降低噪聲損害和暴露風(fēng)險?；谳p武器射擊噪聲的物理規(guī)律,膛口消音器的設(shè)計目標(biāo)為:調(diào)整火藥燃?xì)獾哪芰糠峙潢P(guān)系,降低火藥燃?xì)饽芰吭谔趴谙蛟肼暵暷苻D(zhuǎn)化。目前膛口消音器的設(shè)計以“前聲源環(huán)節(jié)”為主,研究者致力于在消音器內(nèi)部結(jié)構(gòu)中設(shè)計損耗結(jié)構(gòu),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(huán)節(jié)仍然有較大的優(yōu)化空間。

受火藥燃?xì)饬鲌鰪?fù)雜性影響,在這3個環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計難度較大。隨著計算氣動聲學(xué)理論的發(fā)展和計算機仿真技術(shù)的進(jìn)步,已經(jīng)有研究者采用數(shù)值仿真方法研究膛口流場的聲學(xué)特性,仿真結(jié)果已具有相當(dāng)?shù)木?。但膛口消音器?nèi)部流場復(fù)雜,計算帶消音器的膛口流場難度大,相關(guān)領(lǐng)域成果全部為驗證性質(zhì),且無實驗對照。目前尚無研究人員采用氣動聲學(xué)仿真技術(shù)設(shè)計膛口消音器,更沒有運用遺傳算法、微粒群算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、拓?fù)鋬?yōu)化等方法對消音器結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計和優(yōu)化的案例。

在明確設(shè)計目標(biāo)后,研究人員應(yīng)采用仿真技術(shù)和現(xiàn)代優(yōu)化方法,在計算機上完成膛口消音器結(jié)構(gòu)設(shè)計并進(jìn)行實驗,采用理論-仿真-實驗相結(jié)合的手段提高消音器的降噪表現(xiàn),為新時代科技強軍征途貢獻(xiàn)科研的力量。