氣動液壓平衡式水下武器發(fā)射系統(tǒng)噴注噪聲研究

程廣濤，張振山，孔巖峰，陽 雄

（1海軍工程大學(xué)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(fā)射系統(tǒng)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(xué)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(jù)空氣動力學(xué)與工程熱力學(xué)理論，研究了潛艇氣動液壓平衡式水下武器發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射武器時(shí)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(fā)射動力源的質(zhì)量流量變化率方程。利用Lighthill方程，結(jié)合空氣動力特性，對發(fā)射過程中高壓氣體的聲學(xué)特性進(jìn)行了討論，分析了氣瓶初始壓力、氣瓶容積、發(fā)射氣道因素對發(fā)射噪聲的影響，并提出了噪聲控制的方案。

氣動；武器發(fā)射系統(tǒng)；噴注；噪聲

1 引 言

氣動液壓平衡式武器發(fā)射裝置發(fā)射過程中有兩個(gè)特別重要的噪聲源，一是高壓空氣的能量轉(zhuǎn)換過程中氣液缸及其附屬裝置產(chǎn)生的機(jī)械噪聲，第二個(gè)就是發(fā)射過程中管內(nèi)武器與射流引起的噪聲。美國最新研制的彈性發(fā)射裝置（液壓平衡式）以橡皮貯能的方式取代氣缸，從而實(shí)現(xiàn)了將發(fā)射噪聲控制在很低的水平，可見第一個(gè)噪聲源所占比重之大。由于國內(nèi)發(fā)射裝置研制水平的限制，氣動液壓平衡式發(fā)射裝置仍然是主流裝備，而對其進(jìn)行噪聲控制研究的重要性不言而喻。氣缸噪聲的產(chǎn)生可以分為兩個(gè)部分，一是由于氣缸中壓力振蕩激勵氣缸壁及壓力沖擊產(chǎn)生的機(jī)械噪聲，另外一部分就是氣體從氣瓶進(jìn)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(jìn)入氣缸的過程中，物理過程十分復(fù)雜，但對于氣瓶來講其過程實(shí)際為排空過程，而對于氣缸而言，其過程就是一個(gè)充氣做功過程。從空氣動力學(xué)的角度來講，其輻射的噪聲為噴注噪聲。當(dāng)高壓氣體經(jīng)過發(fā)射閥進(jìn)入氣缸作功時(shí)可以將此時(shí)噴注噪聲的成因歸于間歇性排氣噪聲。關(guān)于空氣動力噪聲20世紀(jì)50年代Lighthill所作的理論工作是解決這類問題的經(jīng)典，他開創(chuàng)性地推導(dǎo)出具有聲源項(xiàng)的波動方程公式，得到了具有體源、力源和切變應(yīng)力源發(fā)聲的普遍方程?？梢愿鶕?jù)發(fā)射過程的數(shù)學(xué)模型，得到發(fā)射過程中氣體進(jìn)入發(fā)射氣缸的變化規(guī)律。根據(jù)空氣動力學(xué)理論和工程熱力學(xué)理論，發(fā)射過程中氣瓶中氣體通過發(fā)射閥進(jìn)入氣缸的過程可分為兩個(gè)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(gè)過程的動力特性進(jìn)行分析，重點(diǎn)討論了臨界狀態(tài)的聲學(xué)行為。

2 噴注過程的空氣動力特性研究

從氣瓶經(jīng)由發(fā)射閥到氣缸做功的過程可以當(dāng)作絕熱等熵過程進(jìn)行處理。為簡化起見，對氣瓶和氣缸氣體作以下假設(shè)：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(nèi)氣體流動速度為零。

根據(jù)氣體能量方程和連續(xù)性方程有[1]：

式中：Pb為氣瓶中氣體的瞬時(shí)壓力；Tb為氣瓶中氣體的瞬時(shí)熱力學(xué)溫度；mb為氣瓶中氣體的瞬時(shí)質(zhì)量；K為絕熱指數(shù)。

理想條件下有：

發(fā)射閥的作用是控制與調(diào)節(jié)發(fā)射氣瓶內(nèi)的壓縮空氣進(jìn)入發(fā)射氣缸的流量，是發(fā)射能量控制函數(shù)，可以用一個(gè)泛函S( xf)來表示，根據(jù)工程熱力學(xué)理論，壓縮空氣從氣瓶進(jìn)入氣缸可分為兩個(gè)階段進(jìn)行，臨界過程及其非臨界過程。由于是等熵絕熱過程，聯(lián)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(tài)一直處于滯止?fàn)顟B(tài)，根據(jù)Saint.Venant流速定律[2]

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

S為有效流通面積，當(dāng)氣瓶壓力與背壓比值高于臨界值時(shí)會出現(xiàn)“堵塞”現(xiàn)象，流速為當(dāng)?shù)芈曀?，流量維持在臨界值不變

為了獲得質(zhì)量流量時(shí)間變化率，分別對（5）、（6）式對時(shí)間求導(dǎo)并聯(lián)立（4）、（7）式，在臨界狀態(tài)比較容易求取，但在非臨界狀態(tài)還得考慮背壓變化率，表達(dá)式變得特別復(fù)雜，為簡便，考慮到發(fā)射過程中背壓變化率遠(yuǎn)小于氣瓶壓力變化率，在近似情況下僅考慮瓶壓的時(shí)間變化率。當(dāng)然在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)根據(jù)發(fā)射過程的數(shù)學(xué)模型比較容易獲取質(zhì)量流量變化率，

綜合利用發(fā)射過程的數(shù)學(xué)模型方程組可以獲取發(fā)射過程中氣瓶氣體壓力及氣缸壓力隨時(shí)間變化的規(guī)律曲線，圖1給出了發(fā)射過程中氣瓶與氣缸壓力變化曲線，可與經(jīng)典工程熱力學(xué)提供的高壓容器氣體排放數(shù)據(jù)對照，發(fā)射過程符合氣室排空變化規(guī)律，從圖中還可以看到氣缸壓力隨時(shí)間的變化率遠(yuǎn)小于氣瓶壓力隨時(shí)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(fā)射過程氣瓶壓力與氣缸壓力隨時(shí)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(chǔ)上，可以利用Lighthill在1952年推導(dǎo)的廣義Lighthill方程求取輻射噪聲的變化規(guī)律[3]。

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

（1）使空間固定區(qū)域的質(zhì)量引起脈動；

（2）使在固定區(qū)域的動量發(fā)生變化，即施加一個(gè)脈動的外力，為“散度”項(xiàng)；

（3）使穿過空間固定表面的動量通量的速率發(fā)生變化，如空間的切變應(yīng)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(gòu)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?？梢酝ㄟ^量綱分析法得到聲壓與各因素之間的關(guān)系。（10）、（11）式給出了輻射聲功率與其影響因素之間的關(guān)系：

式中：M是馬赫數(shù)，代表氣流流速與當(dāng)?shù)芈曀俚谋戎担籇為噴口直徑。（11）式就是關(guān)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(fā)現(xiàn)在排氣的后期即非臨界過程時(shí)，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(dāng)噴注處于堵塞狀態(tài)時(shí)，馬赫數(shù)恒等于1，四極子源產(chǎn)生的輻射噪聲影響較為明顯，為高頻部分。可以根據(jù)單極子及其四極子的聲壓公式推導(dǎo)出其聲壓級的表達(dá)式。

根據(jù)大量氣缸排氣試驗(yàn)結(jié)果[4]，排氣初期的臨界狀態(tài)的低頻噪聲比非臨界狀態(tài)低頻噪聲大得多，因此有理由認(rèn)為噴注噪聲的主要低頻噪聲源是臨界狀態(tài)氣瓶排氣噪聲，而且在發(fā)射過程中臨界狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間占主導(dǎo)地位。聯(lián)立（8）式與單極子聲壓公式可得臨界狀態(tài)低頻噴注輻射噪聲級可為

式中：K0為常數(shù)，Dc為噴口有效直徑，r為測點(diǎn)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(yīng)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(jīng)驗(yàn)公式為：

測點(diǎn)距離噴注90°方向，當(dāng)然根據(jù)四極子噪聲輻射規(guī)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(nèi)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(shí)壓力、氣瓶容積以及測點(diǎn)距噴口距離有關(guān)。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(jì)在發(fā)射剛剛開始時(shí)刻氣缸內(nèi)場噴注低頻噪聲非常大，高于160dB（距噴口10cm處），是發(fā)射噪聲的重要構(gòu)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(guān)。

在實(shí)際發(fā)射過程中，在滿足給定的發(fā)射彈道要求的前提下，可以適當(dāng)降低氣瓶初始壓力而增加氣瓶容積實(shí)現(xiàn)控制發(fā)射噪聲的目標(biāo)。而施行上述措施，受艇上可利用空間的限制，工程上更為實(shí)用的方法是優(yōu)化噴口設(shè)計(jì)。由于發(fā)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(gè)特形孔控制發(fā)射氣體的流量，通過對發(fā)射控制閥C腔改進(jìn)可實(shí)現(xiàn)控制發(fā)射噪聲，可以將C腔分隔為2個(gè)或4個(gè)獨(dú)立腔室通過獨(dú)立氣道與發(fā)射氣缸連通。在不改變噴口流通面積的前提條件下，進(jìn)入氣缸的氣體質(zhì)量流量不會發(fā)生改變，從而武器發(fā)射彈道參數(shù)不變，可以設(shè)計(jì)將原來的大直徑單通道變?yōu)樾≈睆诫p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(gè)發(fā)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(jié) 論

武器發(fā)射高壓氣體進(jìn)入氣缸作功時(shí)，可分為臨界排氣與非臨界排氣兩個(gè)過程，會引起較大的噴注噪聲，是武器發(fā)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(fā)，高頻部分由四極子源激發(fā)。高壓氣瓶容積、初始壓力以及發(fā)射氣道設(shè)計(jì)都是影響輻射噪聲聲壓級的因素。通過合理設(shè)計(jì)發(fā)射氣道與噴口直徑優(yōu)選可以降低噴注輻射噪聲。研究中為了獲得簡潔的表達(dá)式，質(zhì)量流量變化率僅考慮了氣瓶壓力一階導(dǎo)數(shù)，后續(xù)研究可結(jié)合實(shí)驗(yàn)或仿真模型獲取更精確的表達(dá)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(xué)[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(xué)[M].北京:機(jī)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(xué)學(xué)報(bào),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(xué)兵器工程系博士研究生。