基于大能量火花放電的槍聲模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

王 龍 谷平反 王聰麗 李書日 張財(cái)謙 崔小葉

(中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)士官學(xué)校 杭州 311400)

0 引言

狙擊手因其精確打擊和一槍制敵能力，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。對(duì)狙擊手槍聲信號(hào)的有效探測(cè)有利于準(zhǔn)確定位和壓制敵方狙擊手，確保己方牢牢掌握戰(zhàn)場(chǎng)主動(dòng)權(quán)[1]。近年來(lái)，槍聲信號(hào)探測(cè)技術(shù)得到了廣泛研究和應(yīng)用，美、英、法等國(guó)家已在此基礎(chǔ)上開發(fā)出適合單兵背負(fù)、車載、艦載和機(jī)載多種作戰(zhàn)任務(wù)的一系列反狙擊裝備[1-3]；國(guó)內(nèi)圍繞槍聲信號(hào)特征分析[4-5]、槍聲信號(hào)識(shí)別算法[6]、聲源定位和測(cè)距方法[7-8]等槍聲探測(cè)技術(shù)中的關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，并取得了豐碩成果。

面對(duì)未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上槍聲探測(cè)型反狙擊裝備的嚴(yán)重威脅，為利用虛假目標(biāo)欺騙和干擾敵方裝備、隱蔽和掩護(hù)己方狙擊手，準(zhǔn)確模擬槍聲成為探索槍聲探測(cè)型反狙擊裝備對(duì)抗方法必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題，遺憾的是關(guān)于槍聲模擬方法的研究成果鮮有公開報(bào)道。本文利用點(diǎn)火電容放電所輻射的強(qiáng)電場(chǎng)擊穿高能電極空氣間隙，控制儲(chǔ)能電容組火花放電發(fā)出爆震聲實(shí)現(xiàn)槍聲模擬，設(shè)計(jì)了一種基于大能量火花放電的槍聲模擬系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行了理論分析和仿真驗(yàn)證，對(duì)所模擬槍聲的聲級(jí)以及時(shí)域和頻域特性進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。所模擬槍聲與某型槍械真實(shí)射擊槍聲聲級(jí)吻合、頻譜變化規(guī)律一致，具有較好的一致性。

1 槍聲模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 電路設(shè)計(jì)

基于大能量火花放電的槍聲模擬系統(tǒng)，通過(guò)將電容組儲(chǔ)存的電量瞬間集中放電來(lái)產(chǎn)生高聲級(jí)爆震聲實(shí)現(xiàn)槍聲模擬，儲(chǔ)能電容組放電回路通斷的可靠控制是此類系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和難點(diǎn)。通常情況下，儲(chǔ)能電容組多用真空繼電器控制放電回路通斷[9]，但該方法成本高且繼電器能控制的最大導(dǎo)通電流達(dá)不到槍聲模擬的要求。

本文采用高壓小電流擊穿點(diǎn)火電極空氣間隙實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火電容放電回路通斷控制，利用點(diǎn)火電容放電輻射的強(qiáng)電場(chǎng)擊穿高能電極空氣間隙實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電容組放電回路通斷的控制。該系統(tǒng)的主電路由一組點(diǎn)火電路和兩組儲(chǔ)能放電電路組成，如圖1所示。圖1(a)中，點(diǎn)火電路的高壓發(fā)生器T1將直流低電壓輸入轉(zhuǎn)換為小電流高壓輸出以擊穿點(diǎn)火電極的空氣間隙，控制點(diǎn)火電容C1放電以輻射強(qiáng)電場(chǎng)用于擊穿高能電極空氣間隙。點(diǎn)火電路中，市電輸入經(jīng)整流橋D3給點(diǎn)火電容C1充電，高壓發(fā)生器輸出端和電容C1的正負(fù)極分別經(jīng)二極管D1和D2連接至點(diǎn)火電極組的正負(fù)極。其中，電阻R1和R2用于控制點(diǎn)火電容C1的充電速度和充電電壓，二極管D1用于阻止點(diǎn)火電容C1放電過(guò)程中的漏電流竄入高壓發(fā)生器內(nèi)部，二極管D2用于保護(hù)電容C1的充電回路器件避免被高壓發(fā)生器T1的輸出高壓擊穿。

圖1(b)中，市電輸入正周期，電流經(jīng)繼電器JK3、限流電阻R3、整流二極管D4對(duì)儲(chǔ)能電容組C2充電；市電輸入負(fù)周期，電流經(jīng)整流二極管D5、限流電阻R3和繼電器JK3對(duì)儲(chǔ)能電容組C3充電。當(dāng)高能電極間的空氣間隙被擊穿時(shí)，電容組C2和C3串聯(lián)升壓后進(jìn)行大能量火花放電，發(fā)出爆震聲實(shí)現(xiàn)槍聲模擬。

圖1 槍聲模擬系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)Fig.1 Principle diagram of circuit structure

1.2 放電極組設(shè)計(jì)

槍聲模擬系統(tǒng)的放電極組由兩根點(diǎn)火電極和四根高能放電電極組成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。六根電極共圓心排布，點(diǎn)火電極位于高能放電電極所在圓周的內(nèi)側(cè)，且點(diǎn)火電極高度低于高能放電電極，相鄰兩電極間的圓心角為60°。兩根點(diǎn)火電極分別連接至圖1(a)中點(diǎn)火電極組的正負(fù)極處，不相鄰的兩根高能放電電極為一組，連接至圖1(b)中高能放電電極組的正負(fù)極處。點(diǎn)火正負(fù)電極空氣間隙的長(zhǎng)度為d1，每對(duì)高能放電電極空氣間隙的長(zhǎng)度為d2，點(diǎn)火電極與高能放電電極之間的高度差為h。為便于表述高能放電電極間的空氣間隙，以兩點(diǎn)火電極中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，原點(diǎn)與點(diǎn)火負(fù)電極連線方向?yàn)閤軸正方向建立直角坐標(biāo)系，如圖2所示。高能放電電極組正負(fù)極間的空氣間隙1和空氣間隙2可以分別表述為

圖2 放電極組結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic of electrode group

1.3 工作過(guò)程

1.3.1 槍聲模擬系統(tǒng)的充電過(guò)程

電極間的空氣間隙未被擊穿前，空氣電阻很大[10]，點(diǎn)火電容C1以及儲(chǔ)能電容組C2和C3的放電回路處于開路狀態(tài)。繼電器JK1斷開、JK2和JK3閉合時(shí)，點(diǎn)火電容C1以及C2和C3組成的儲(chǔ)能電容組處于充電狀態(tài)。充電結(jié)束時(shí)，點(diǎn)火電容C1以及電容組C2和C3的電壓值可以表示為

1.3.2 槍聲模擬系統(tǒng)的放電過(guò)程

一旦點(diǎn)火電極間的空氣被擊穿，空氣間隙電阻由幾百兆歐迅速減小為幾歐[10]，點(diǎn)火電容C1的放電回路隨之導(dǎo)通。為確保安全，點(diǎn)火繼電器JK1閉合前需先斷開充電繼電器JK2和JK3。JK1閉合時(shí)，高壓發(fā)生器T1的輸出高壓加載在點(diǎn)火電極上，當(dāng)該電壓值達(dá)到兩極針間隙對(duì)應(yīng)的靜態(tài)擊穿電壓時(shí)，點(diǎn)火電極之間的空氣被擊穿。由文獻(xiàn)[11]知，點(diǎn)火電極的靜態(tài)擊穿電壓與極針間隙d1之間需滿足

式(3)中：U的單位為kV；d1的單位為cm。

點(diǎn)火電極間的空氣被擊穿后，點(diǎn)火電容C1、二極管D2、點(diǎn)火電極、點(diǎn)火電極之間的空氣間隙和導(dǎo)線組成的放電回路由開路瞬間轉(zhuǎn)換為導(dǎo)通，點(diǎn)火電容C1儲(chǔ)存的電量通過(guò)點(diǎn)火電極快速釋放，輻射出強(qiáng)電場(chǎng)。假設(shè)電容C1放電持續(xù)時(shí)間內(nèi)，點(diǎn)火電極之間的空氣間隙電阻R0保持不變[9]，根據(jù)基爾霍夫定律，電容C1的放電過(guò)程滿足[9]

式(4)中：u1(t)為電容C1兩端電壓；C1為點(diǎn)火電容的容量；點(diǎn)火電極間的空氣被擊穿后，空氣間隙電阻非常小，取R0=5 Ω[12]。由無(wú)輸入RC電路初始條件求解方程(4)可得

根據(jù)文獻(xiàn)[13-14]知，由點(diǎn)火電容的放電電流i1(t)可求解其所輻射電場(chǎng)的時(shí)空分布。電容C1放電時(shí)，為便于分析高能電極組正負(fù)極間空氣間隙上各點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度，以點(diǎn)火電極正負(fù)極中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，原點(diǎn)與點(diǎn)火正電極連線方向?yàn)棣禽S正方向建立柱坐標(biāo)系，如圖3所示。

圖3 點(diǎn)火電容的放電輻射場(chǎng)模型Fig.3 Electric field model caused by radiation of ignition capacitor

對(duì)于空間中任意一點(diǎn)(η,r,φ)，點(diǎn)火電容C1放電輻射的電場(chǎng)可以表示為

聯(lián)立式(1)、式(5)式(2)和式(6)可求得點(diǎn)火電容C1放電時(shí)，高能放電正負(fù)極間空氣間隙任意位置的電場(chǎng)強(qiáng)度。若某對(duì)放電極針空氣間隙上每一點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度均達(dá)到空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)30 kV/cm，則該對(duì)電極間的空氣被擊穿[13]，儲(chǔ)能電容組C2和C3串聯(lián)升壓后，通過(guò)該對(duì)電極和電極間空氣間隙組成的回路發(fā)生大能量火花放電發(fā)出強(qiáng)烈的爆震聲。

1.4 參數(shù)設(shè)計(jì)

槍聲模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，電極組結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定可從以下兩方面考慮：(1)高壓發(fā)生器T1的輸出電壓需可靠擊穿點(diǎn)火電極間的空氣間隙；(2)點(diǎn)火電容放電輻射的電場(chǎng)需同時(shí)擊穿高能電極間的空氣間隙1和空氣間隙2。圖2中的六根電極使用直徑為2.76 mm的銅材質(zhì)柱形材料加工而成，電極組的結(jié)構(gòu)參數(shù)取d1=8 mm，d2=6 mm，h=10 mm。

根據(jù)電極參數(shù)d1和式(3)可求得高壓發(fā)生器T1輸出電壓的最小值為26.3 kV，為避免T1的輸出電流燒毀二極管D1、輸出電壓擊穿二極管D2，T1輸出電壓在滿足最小值要求的情況下，優(yōu)先選用小電流、低電壓器件，此處選用7.4 V輸入、30 kV輸出的小電流高壓逆變器。將電極組結(jié)構(gòu)參數(shù)代入式(1)、式(5)式(2)和式(6)，并利用空氣擊穿場(chǎng)強(qiáng)30 kV/cm的約束條件，可以確定點(diǎn)火電容C1放電電流的取值范圍，此處C1選用450 V/220μF電解電容，R1和R2分別使用100 Ω/10 W 和300 kΩ/3 W電阻；電容C2和C3的選取需綜合考慮待模擬槍聲的聲級(jí)以及音質(zhì)特性，C2和C3取值越大所模擬槍聲的聲級(jí)越高但聲音越沉悶，此處C2和C3選用450 V/1000μF電解電容，電阻R3和R4分別使用100 Ω/10 W和300 kΩ/3 W電阻；二極管D1和D2的選取主要考慮其浪涌電流和擊穿電壓特性，而整流橋D3和二極管D4的選取主要考慮其正向?qū)娏骱凸ぷ麟妷禾匦?，二極管D1和D2分別選用30 kV/50 mA和30 kV/75 A的高壓硅堆，D3選用KBL608整流橋，D4選用1000 V/5 A的整流二極管。

2 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 高能電極空氣間隙場(chǎng)強(qiáng)的仿真分析

將R1=100 Ω、R2=300 kΩ、C1=220 μF、R0=5 Ω、d1=8 mm，d2=6 mm，h=10 mm代入式(1)、式(5)式(2)和式(6)，做出電容C1放電10 ms時(shí)，高能電極間的電場(chǎng)強(qiáng)度隨位置變化曲線如圖4(a)所示，其中空氣間隙上各點(diǎn)沿x方向以0.015 mm為步長(zhǎng)遞增。以高能電極間場(chǎng)強(qiáng)最小位置(1.5 mm,2.6 mm,10 mm)為例，以0.1 ms為步長(zhǎng)做出其場(chǎng)強(qiáng)隨時(shí)間的變化曲線圖4(b)和場(chǎng)強(qiáng)的時(shí)域展寬曲線圖4(c)。

圖4 點(diǎn)火電容放電時(shí)的輻射電場(chǎng)強(qiáng)度Fig.4 Electric field intensity radiated by discharge of ignition capacitor

由于空氣間隙1和空氣間隙2關(guān)于點(diǎn)火電極的空氣間隙成軸對(duì)稱分布，空氣間隙1和空氣間隙2上x坐標(biāo)相同的兩點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度相同。圖4(a)曲線表明，點(diǎn)火電容放電10 ms時(shí)，高能電極空氣間隙上各點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)于中心對(duì)稱，在空氣間隙中心處取極大值，電場(chǎng)強(qiáng)度隨各點(diǎn)偏離中心距離的增加而逐漸減小。

儲(chǔ)能電容組放電回路的通斷狀態(tài)取決于高能電極空氣間隙1和空氣間隙2上各點(diǎn)是否被點(diǎn)火電容放電輻射的強(qiáng)電場(chǎng)擊穿，當(dāng)空氣間隙上任意點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度均大于30 kV/cm時(shí)，儲(chǔ)能電容組放電回路導(dǎo)通；當(dāng)空氣間隙上各點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸小于空氣擊穿電壓時(shí)，儲(chǔ)能電容組放電回路轉(zhuǎn)換為開路狀態(tài)。從圖4(b)可以看出，點(diǎn)火電容放電回路導(dǎo)通的瞬間輻射出強(qiáng)電場(chǎng)，隨著放電時(shí)間的增加，高能電極空氣間隙上的電場(chǎng)強(qiáng)度迅速減小，在20 ms時(shí)間內(nèi)由約為106kV/cm急劇減小為0.1 kV/cm以下。為進(jìn)一步分析高能電極間空氣間隙的擊穿特性，對(duì)圖4(b)中的場(chǎng)強(qiáng)變化曲線在10 ms～12 ms范圍內(nèi)進(jìn)行局部展寬，如圖4(c)所示。從圖4(c)可以看出，對(duì)于空氣間隙1上場(chǎng)強(qiáng)最小的點(diǎn)(1.5 mm,2.6 mm,10 mm)，在點(diǎn)火電容放電11.6 ms時(shí)其電場(chǎng)強(qiáng)度由11.5 ms時(shí)的33.1 kV/cm減小為29.9 kV/cm，高能電極間的空氣間隙由導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換為開路狀態(tài)。

2.2 槍聲模擬系統(tǒng)性能的試驗(yàn)測(cè)試

圖5 槍聲模擬系統(tǒng)性能測(cè)試裝置示意圖Fig.5 Experimental setup used to ability test of this simulated shot sound system

在空曠場(chǎng)地上，天氣晴朗且無(wú)風(fēng)的條件下對(duì)槍聲模擬系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)裝置如圖5所示。為確保安全，聲音測(cè)試和采集設(shè)備架設(shè)在與射擊方向成90°、距離槍口5 m的位置，且聲音測(cè)試和采集設(shè)備與槍口處于同一高度。

2.2.1 模擬槍聲的聲級(jí)分析

某型槍械單發(fā)射擊10次，用GM1353型聲級(jí)計(jì)測(cè)試槍聲聲級(jí)并計(jì)算平均值E記為該類槍聲的聲級(jí)真值。將槍械替換為槍聲模擬系統(tǒng)，控制模擬系統(tǒng)鳴槍30次測(cè)試其聲級(jí)值，記為樣本數(shù)據(jù)[x1,···,xn]，其中n=30。

模擬槍聲的聲級(jí)誤差為

模擬槍聲的聲級(jí)標(biāo)準(zhǔn)差為

根據(jù)式(7)做出槍聲模擬系統(tǒng)的聲級(jí)誤差曲線如圖6所示，可以看出系統(tǒng)所模擬槍聲與真實(shí)射擊槍聲的聲級(jí)誤差約為-2.1～5.8 dB(A)，將樣本數(shù)據(jù)代入式(8)求得模擬槍聲的聲級(jí)標(biāo)準(zhǔn)差為1.974 dB(A)，系統(tǒng)所模擬槍聲的聲級(jí)穩(wěn)定且與真實(shí)射擊槍聲聲級(jí)吻合。

圖6 模擬槍聲的聲級(jí)誤差曲線Fig.6 Deviation curve of sound level for simulated shot

2.2.2 模擬槍聲的波形分析

槍械真實(shí)射擊和模擬系統(tǒng)發(fā)出的槍聲經(jīng)適當(dāng)衰減后使用錄音筆采集槍聲信號(hào)，并任取一組錄音從時(shí)域和頻域?qū)⒛M與真實(shí)槍聲對(duì)照分析，如圖7～8所示。

聲音信號(hào)的采樣頻率記為fs(Hz)，以時(shí)間間隔Δt(s)(Δt=1/fs)為步長(zhǎng)做出模擬與真實(shí)槍聲的時(shí)域波形和相關(guān)運(yùn)算曲線如圖7(a)和圖7(b)所示。圖7(a)表明，模擬與真實(shí)槍聲的時(shí)域變化規(guī)律一致，信號(hào)幅度隨時(shí)間增加以指數(shù)形式迅速減小，由于槍聲模擬系統(tǒng)的點(diǎn)火電極未進(jìn)行機(jī)械封裝，儲(chǔ)能電容組火花放電生成的爆炸波直接向空間輻射，與真實(shí)槍聲相比缺少了爆炸波經(jīng)槍管反射產(chǎn)生時(shí)延后進(jìn)入空間的雜散波，因此圖7(a)中的模擬槍聲與真實(shí)槍聲相比能量更加集中、衰減速度更快且雜散波更少。從圖7(b)可以看出，兩信號(hào)相關(guān)運(yùn)算后存在著明顯的相關(guān)峰，進(jìn)一步說(shuō)明了模擬槍聲與真實(shí)槍聲在時(shí)域有較好的相似性。

圖7 模擬與真實(shí)槍聲的時(shí)域?qū)φ辗治鯢ig.7 Compare analysis in time domain for simulated and real shot sound

分別對(duì)包含真實(shí)和模擬槍聲的單幀T(s)聲音信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，以頻率間隔Δf(Δf=1/T)為步長(zhǎng)做出頻譜曲線如圖8(a)和圖8(b)所示。結(jié)果表明，模擬槍聲與真實(shí)槍聲的能量都是主要集中在400Δf～1200Δf、1200Δf～1900Δf和1900Δf～10000Δf三個(gè)頻帶范圍內(nèi)，模擬槍聲和真實(shí)槍聲在三個(gè)頻帶范圍內(nèi)的頻譜質(zhì)心依次為910Δf和1582Δf、4736Δf和840Δf、1592Δf和4436Δf。但真實(shí)槍聲頻譜的低頻分量幅度比模擬槍聲大，而高頻分量幅度比模擬槍聲小，這與模擬槍聲更加短促和明亮的試驗(yàn)現(xiàn)象相吻合。

圖8 模擬與真實(shí)槍聲的頻譜對(duì)照分析Fig.8 Compare analysis of spectrum for simulated and real shot sound

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于大能量火花放電的槍聲模擬系統(tǒng)，理論分析和仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)的工作原理，試驗(yàn)測(cè)試了所模擬槍聲的聲級(jí)和波形特性。研究結(jié)果表明：

(1)點(diǎn)火電容在高壓小電流逆變器控制下，通過(guò)輻射電場(chǎng)擊穿高能電極空氣間隙的方式，可有效控制大容量?jī)?chǔ)能電容組火花放電模擬槍聲。

(2)仿真結(jié)果表明，點(diǎn)火電容開始放電時(shí)，高能電極間的空氣間隙由絕緣變?yōu)楸粨舸?，?chǔ)能電容組放電回路由開路變?yōu)閷?dǎo)通；在點(diǎn)火電容放電11.6 ms以后，高能電極間各點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)逐漸小于空氣擊穿強(qiáng)度，空氣間隙由導(dǎo)通狀態(tài)恢復(fù)為開路狀態(tài)。

(3)試驗(yàn)結(jié)果表明，所模擬的槍聲與某型號(hào)槍械射擊槍聲的聲級(jí)誤差約為-2.1～5.8 dB(A)，標(biāo)準(zhǔn)差為1.974 dB(A)，模擬槍聲的聲級(jí)與真實(shí)槍聲吻合度高且性能穩(wěn)定；除此以外，模擬槍聲波形在時(shí)域和頻域均與真實(shí)槍聲有較好的相似性，但真實(shí)槍聲頻譜的低頻分量幅度比模擬槍聲大，而高頻分量幅度比模擬槍聲小，下一步將對(duì)放電極組的封裝組件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以進(jìn)一步提高槍聲模擬的準(zhǔn)確性。