气动液压平衡式水下武器发射系统喷注噪声研究

程广涛，张振山，孔岩峰，阳 雄

（1海军工程大学兵器工程系，武汉 430033；2中国人民解放军海军第四部，北京 100086）

气动液压平衡式水下武器发射系统喷注噪声研究

程广涛1，张振山1，孔岩峰1，阳 雄2

（1海军工程大学兵器工程系，武汉 430033；2中国人民解放军海军第四部，北京 100086）

根据空气动力学与工程热力学理论，研究了潜艇气动液压平衡式水下武器发射系统发射武器时喷注过程的空气动力特性。分析了高压气体在气瓶与气缸之间的流动特性，在近似条件下建立了作为发射动力源的质量流量变化率方程。利用Lighthill方程，结合空气动力特性，对发射过程中高压气体的声学特性进行了讨论，分析了气瓶初始压力、气瓶容积、发射气道因素对发射噪声的影响，并提出了噪声控制的方案。

气动；武器发射系统；喷注；噪声

1 引 言

气动液压平衡式武器发射装置发射过程中有两个特别重要的噪声源，一是高压空气的能量转换过程中气液缸及其附属装置产生的机械噪声，第二个就是发射过程中管内武器与射流引起的噪声。美国最新研制的弹性发射装置（液压平衡式）以橡皮贮能的方式取代气缸，从而实现了将发射噪声控制在很低的水平，可见第一个噪声源所占比重之大。由于国内发射装置研制水平的限制，气动液压平衡式发射装置仍然是主流装备，而对其进行噪声控制研究的重要性不言而喻。气缸噪声的产生可以分为两个部分，一是由于气缸中压力振荡激励气缸壁及压力冲击产生的机械噪声，另外一部分就是气体从气瓶进入气缸过程中的喷注噪声，后者属于空气动力性噪声。文中主要研究后者。

气瓶中的高压气体进入气缸的过程中，物理过程十分复杂，但对于气瓶来讲其过程实际为排空过程，而对于气缸而言，其过程就是一个充气做功过程。从空气动力学的角度来讲，其辐射的噪声为喷注噪声。当高压气体经过发射阀进入气缸作功时可以将此时喷注噪声的成因归于间歇性排气噪声。关于空气动力噪声20世纪50年代Lighthill所作的理论工作是解决这类问题的经典，他开创性地推导出具有声源项的波动方程公式，得到了具有体源、力源和切变应力源发声的普遍方程。可以根据发射过程的数学模型，得到发射过程中气体进入发射气缸的变化规律。根据空气动力学理论和工程热力学理论，发射过程中气瓶中气体通过发射阀进入气缸的过程可分为两个阶段，临界过程（音速流动）与非临界过程（亚音速流动），分别对这两个过程的动力特性进行分析，重点讨论了临界状态的声学行为。

2 喷注过程的空气动力特性研究

从气瓶经由发射阀到气缸做功的过程可以当作绝热等熵过程进行处理。为简化起见，对气瓶和气缸气体作以下假设：高压空气为理想气体，其间压力和温度均匀分布，不考虑气体分子的动能和势能，气瓶内气体流动速度为零。

根据气体能量方程和连续性方程有[1]：

式中：Pb为气瓶中气体的瞬时压力；Tb为气瓶中气体的瞬时热力学温度；mb为气瓶中气体的瞬时质量；K为绝热指数。

理想条件下有：

发射阀的作用是控制与调节发射气瓶内的压缩空气进入发射气缸的流量，是发射能量控制函数，可以用一个泛函S( xf)来表示，根据工程热力学理论，压缩空气从气瓶进入气缸可分为两个阶段进行，临界过程及其非临界过程。由于是等熵绝热过程，联立（1）、（2）式可以得到

由于假定瓶中气体速度为零，则瓶中气体状态一直处于滞止状态，根据Saint.Venant流速定律[2]

式中：Pc为气缸中气体压强，Pb为瓶中气体密度。质量流量及质量变化率可表示为：

S为有效流通面积，当气瓶压力与背压比值高于临界值时会出现“堵塞”现象，流速为当地声速，流量维持在临界值不变

为了获得质量流量时间变化率，分别对（5）、（6）式对时间求导并联立（4）、（7）式，在临界状态比较容易求取，但在非临界状态还得考虑背压变化率，表达式变得特别复杂，为简便，考虑到发射过程中背压变化率远小于气瓶压力变化率，在近似情况下仅考虑瓶压的时间变化率。当然在进行数值计算时根据发射过程的数学模型比较容易获取质量流量变化率，

综合利用发射过程的数学模型方程组可以获取发射过程中气瓶气体压力及气缸压力随时间变化的规律曲线，图1给出了发射过程中气瓶与气缸压力变化曲线，可与经典工程热力学提供的高压容器气体排放数据对照，发射过程符合气室排空变化规律，从图中还可以看到气缸压力随时间的变化率远小于气瓶压力随时间变化率，因此也印证了我们近似简化处理（与dPb/dt相比，dPc/dt为小量）的可行性。

3 喷注过程的空气动力辐射噪声特性研究

图1 发射过程气瓶压力与气缸压力随时间变化曲线Fig.1 The pressure of vessel and cylinder

在喷注过程空气动力特性研究的基础上，可以利用Lighthill在1952年推导的广义Lighthill方程求取辐射噪声的变化规律[3]。

式中：Tij=ρuiuj+Pij-c2ρδij，并采用了张量表示法，（9）式右边前两项为非平稳质量流，其作用与一个单极子相当。第三项为施加在某些界面上的非平稳力的散度，具有偶极子的性质。第四项代表流体本身的湍流应力，具有四极子性质。当假定不存在质量空间分布非均匀性时，（9）式右边第二项为零。Lighthill作出了方程的经典解释，给出了动能转化为声能的三个途径：

（1）使空间固定区域的质量引起脉动；

（2）使在固定区域的动量发生变化，即施加一个脉动的外力，为“散度”项；

（3）使穿过空间固定表面的动量通量的速率发生变化，如空间的切变应力引起的。

对于喷注过程中，脉动外力的影响比较小，因此噪声主要构成因素是单极子和四极子源。对于Lighthill方程，式中都是未知量的微商，原则上是不可解的。可以通过量纲分析法得到声压与各因素之间的关系。（10）、（11）式给出了辐射声功率与其影响因素之间的关系：

式中：M是马赫数，代表气流流速与当地声速的比值；D为喷口直径。（11）式就是关于湍流噪声的Lighthill速度八方定律。通过对（10）、（11）式的研究可以发现在排气的后期即非临界过程时，随着气瓶中压力的降低，流速不断减小，总声压级中单极子源所占比重较高，而当喷注处于堵塞状态时，马赫数恒等于1，四极子源产生的辐射噪声影响较为明显，为高频部分。可以根据单极子及其四极子的声压公式推导出其声压级的表达式。

根据大量气缸排气试验结果[4]，排气初期的临界状态的低频噪声比非临界状态低频噪声大得多，因此有理由认为喷注噪声的主要低频噪声源是临界状态气瓶排气噪声，而且在发射过程中临界状态持续的时间占主导地位。联立（8）式与单极子声压公式可得临界状态低频喷注辐射噪声级可为

式中：K0为常数，Dc为喷口有效直径，r为测点距喷口的距离。

喷注噪声的高频部分主要是由四极子源引起的湍流噪声，是由应力切变引起的，声功率服从速度的八方定律。喷注湍流噪声声压级的经验公式为：

测点距离喷注90°方向，当然根据四极子噪声辐射规律，噪声最大值位于与喷注轴线成30°-40°方向上。值得注意的是 （12）式与（13）式都是气缸内场噪声，艇外测得辐射噪声还要考虑各种传播途径引起的插入损失的影响。

4 喷注噪声的控制

由（12）式可知低频喷注噪声主要与喷口的直径、喷注气瓶瞬时压力、气瓶容积以及测点距喷口距离有关。喷口直径每增加1倍，噪声增加24dB，气瓶压力每增加1倍，噪声增加6dB，气瓶容积每增加1倍，噪声可降低6dB，粗略估计在发射刚刚开始时刻气缸内场喷注低频噪声非常大，高于160dB（距喷口10cm处），是发射噪声的重要构成部分。（13）式表明高频噪声与气瓶压力与气缸压力比以及喷口直径有关。

在实际发射过程中，在满足给定的发射弹道要求的前提下，可以适当降低气瓶初始压力而增加气瓶容积实现控制发射噪声的目标。而施行上述措施，受艇上可利用空间的限制，工程上更为实用的方法是优化喷口设计。由于发射阀C腔（对于某型艇为B腔下腔，为方便研究只针对一型装备）有四个特形孔控制发射气体的流量，通过对发射控制阀C腔改进可实现控制发射噪声，可以将C腔分隔为2个或4个独立腔室通过独立气道与发射气缸连通。在不改变喷口流通面积的前提条件下，进入气缸的气体质量流量不会发生改变，从而武器发射弹道参数不变，可以设计将原来的大直径单通道变为小直径双通道或四通道，如图2所示，这样可以降低辐射噪声水平12dB或24dB。对于双通道为例，将原来的喷口直径改为原来的0.707倍，增加一个发射气道，也可以获得较好的降噪效果，图3给出了这种方案。

5 结 论

武器发射高压气体进入气缸作功时，可分为临界排气与非临界排气两个过程，会引起较大的喷注噪声，是武器发射辐射噪声的重要组成部分。喷注噪声低频部分由单极子源激发，高频部分由四极子源激发。高压气瓶容积、初始压力以及发射气道设计都是影响辐射噪声声压级的因素。通过合理设计发射气道与喷口直径优选可以降低喷注辐射噪声。研究中为了获得简洁的表达式，质量流量变化率仅考虑了气瓶压力一阶导数，后续研究可结合实验或仿真模型获取更精确的表达式，以及噪声向外辐射的传播路径。

[1]沈维道,蒋智敏,童钧庚.工程热力学[M].北京:高等教育出版社,2001:101-112.

[2]侯国祥,孙江龙,王先洲等.工程流体力学[M].北京:机械出版社,2006:171-172.

[3]罗斯D.水下噪声原理[M].北京:海洋出版社,1983:64-67.

[4]赵升吨,尚春阳,韩慧兰,史维祥.间歇性排气噪声辐射特性的研究[J].声学学报,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

程广涛（1980-），男，海军工程大学兵器工程系博士研究生。