煙火藥和壓縮氮氣聲源水下聲輻射特征對比研究

漆家洋　關華　李捷　宋東明

（南京理工大學　南京　210094）

煙火藥和壓縮氮氣聲源水下聲輻射特征對比研究

漆家洋?關華李捷宋東明

（南京理工大學南京210094）

為研究煙火藥水下燃燒聲輻射機理，采用煙火藥和壓縮氮氣噴射聲源對比的方法，利用水聲測試系統，通過實驗研究不同體積流量下兩種聲源裝置的聲輻射規律。結果表明，煙火藥水下燃燒聲源與壓縮氮氣聲源的聲輻射特征相似，輻射頻率主要集中在0～1000 Hz內，峰值頻率均位于100 Hz附近，總聲壓級、峰值聲壓級均隨著氣體流量增加而增強。當氣體流量從60 ml/s增加到84 ml/s時，煙火藥峰值聲壓級由155 dB增加到163 dB，0～1000 Hz內總聲壓級由159 dB增加到165 dB；當噴氣流量從70 ml/s增加到141 ml/s時，壓縮氮氣源峰值聲壓級由136 dB增加到139 dB，0～1000 Hz內總聲壓級由144 dB增加到147 dB。當氣體流量相近時，煙火藥相比壓縮氮氣聲壓級相差顯著，其聲壓級均高于同頻率下壓縮氮氣源，兩者的峰值聲壓級分別為157 dB、139 dB，0～1000 Hz內總聲壓級分別為160 dB、147 dB。

煙火藥，壓縮氮氣，聲輻射，流量

1　引言

煙火藥由氧化劑、可燃劑、添加劑等構成的混合物，大氣中燃燒時產生高溫火焰并伴有氣體、液體和固體殘渣等燃燒產物。由于煙火藥屬自供氧體系［1］，水下能持續穩定燃燒，產生一定量氣泡和高溫殘渣粒子。研究表明［2］，煙火藥水下燃燒產生一定的聲輻射特征，而水下單一氣體噴入運動湍流場時，輻射噪聲受排氣量和排氣管口尺寸控制，形成湍流，氣泡破裂、潰滅是產生噪聲主要機理［3］，但煙火藥水下燃燒產生聲輻射的因素相比單一氣體噴射要復雜得多，如高溫火焰、固體殘渣、以及湍流等引起的氣泡形態、尺寸的變化以及高溫產生的介質應力變化，都會產生較強的聲學信號。

目前，對于煙火藥水下燃燒作為聲源的研究報道并不多，一般都是針對與煙火藥組分相似的固體推進劑的水下點火、推力以及相關的流場問題等進行研究［4-13］，直接研究固體推進劑水下燃燒的噪聲輻射及相關特征的較少［13］，例如上世紀70年代，Caveny等［14-15］對推進劑水下燃燒產生的聲輻射特征進行了研究，2002年，Rampichini等［16］對AP-HTPB固體推進劑水下燃燒聲輻射特征進行試驗并利用譜圖分析了整個燃燒過程的聲輻射特征。2006年，美國專利［17］報道了一種利用鋁粉與水燃燒產生高溫氣體作為聲源。而國內張進軍等人［18］通過建立不同藥柱的燃燒模型，并利用數學模型對其求解，用來研究不同藥柱對啟動過程的影響，但沒有涉及相關聲輻射研究。綜上所述，以上研究僅對水下燃燒聲源的聲輻射特征進行描述，并未對其水下燃燒發聲機理以及聲輻射特征影響因素進行深入地探討，尤其對于關于煙火藥水下燃燒產生的高溫氣體對聲輻射特征的影響并沒有進行比較詳細地研究。因此本文采用對比的研究方法，利用壓縮氮氣水下噴射作為參照對象，研究不同流量的煙火藥水下燃燒和氮氣聲輻射特征，并對相似流量的兩種聲源進行了對比分析。

2　實驗

樣品制備：將氧化劑、可燃劑和粘合劑組成的煙火藥壓制成密度為1.8 g/cm3、直徑為18 mm、質量為5 g的藥柱，裝于自行設計噴口直徑10 mm裝置中，即煙火藥聲輻射裝置樣品。壓縮氮氣裝置樣品使用同樣裝置，將氮氣用橡膠管從壓縮鋼瓶引出，固定在裝置噴口底端，氮氣從直徑為10 mm噴口噴出。

水聲測試：系統由8104水聽器（頻率0.1 Hz～120 kHz），B&K-2692型電荷放大器，B&K-3560型數據采集前端構成。采用1/3倍頻程帶寬噪聲頻帶聲壓級Lpoi（基準值：1μPa）其計算如公式（1）所示。

式中：Ui系統輸出電壓，V；U0基準電壓，U0=1 V；M0水聽器自由場電壓靈敏度，dB（基準值：1 V/μPa）；K系統增益，dB。

為了得出某一頻段內的平均聲壓級，采用公式（2）計算，如下所示。

式中：n表示采樣點數。

測試時，實驗樣品水下試驗裝置示意圖如圖1所示，將試驗樣品置于自制的立方體消聲水箱（附標尺）中，距水面距離為0.7 m，水聽器距離試驗樣品距離為1 m。煙火藥裝置采用電點火頭進行點火。置于水箱內水聽器將捕捉到的噪聲聲壓信號轉換成電信號，再經B&K-2692型電荷放大器，利用B&K-3560型數據采集系統及PULSE LABSHOP軟件對數據進行采集與處理。

圖1　實驗裝配示意圖Fig.1 Experimental assembly diagram

3　結果與分析

3.1煙火藥水下燃燒聲輻射特征

為研究煙火藥燃燒產生氣體對水下聲輻射特征影響，采用氣體流量表示單位時間產生的氣體。煙火藥以氧化劑、可燃劑、添加劑及粘合劑為基礎配方，通過調節組分配比設計四種氣體量的藥劑，本試驗借助密閉爆發器測試煙火藥燃燒瞬態壓力方法評價煙火藥燃燒產生的氣體體積，各配方編號為1#、2#、3#和4#。

試驗儀器和裝置主要包括瞬態壓力測試系統、密閉爆發器、壓力傳感器。傳感器靈敏度為143.9 mV/MPa，信號處理軟件為DEWEsoft，密閉爆發器容積為50 ml。

測試100 mg藥劑瞬態壓力，得到P-t曲線。由于樣品藥量較小，假設在密閉爆發器內的氣體產物溫度與在常壓下的氣體產物溫度相同，根據氣體狀態方程，如下公式（3），可計算常壓下藥劑產生的氣體體積以及其產氣速率，如表1所示。

表1　不同配方煙火藥燃燒密閉爆發器測試結果Table 1　The closed bomb test results of different formulas pyrotechnics combustion

式中：V0，P0大氣壓強（1 atm）氣體燃燒產物體積和大氣壓力；V2，P2分別為密閉爆發器容積及測得的壓力峰值。

將配方編號為1#、2#、3#和4#的煙火藥分別壓制成藥柱進行水下燃燒試驗，其聲輻射特征如圖2所示。

圖2　不同氣體流量煙火藥劑水下燃燒聲輻射特征Fig.2 Different gas flowing of pyrotechnics underwater acoustic radiation characteristics

不同氣體流量煙火藥水下燃燒聲輻射特征變化趨勢相同，均隨著頻率升高，聲壓級逐漸上升，至100 Hz附近達到峰值，然后隨著頻率升高，聲壓級逐漸降低，結合表1，當煙火藥水下燃燒氣體流量從60 ml/s增加到84 ml/s時，煙火藥100 Hz處峰值聲壓級由155 dB增加到163 dB，煙火藥0～1000 Hz內總聲壓級用公式（2）計算，由159 dB增加到165 dB，得出隨著煙火藥產氣速率增加，其水下燃燒峰值聲壓級、0～1000 Hz內總聲壓級逐漸升高。

煙火藥水下燃燒能產生聲輻射主要因為燃燒產物含有大量高溫氣體，在水下會形成大量的氣泡，這些氣泡進入共振狀態時就會引起聲輻射，其在水中共振頻率可以用公式（4）計算。

式中：r——氣泡半徑，m；p——氣泡內壓力，Pa；ρ0——液體密度，kg/m3；γ——水的絕熱比。

文中假設氣泡在管口處形成，且形成過程為絕熱過程，根據氣泡的數量，氣泡直徑，以及產氣速率對該公式進行估算可以得到公式（5）。

式中：r——氣泡半徑，m；T——氣泡內溫度，K；ρ0——液體密度，kg/m3；V——產氣速率，L/s；u——氣泡產生個數，個/s；R——氣體常數，R=8.314 J/mol·K

根據公式（5）可以得出，1#、2#、3#、4#水下燃燒所形成的氣泡共振頻率分別為147 Hz、107 Hz、86 Hz、88 Hz均集中在100 Hz附近處。

此外，氣泡在水下發生合并、破裂等現象也會產生相應的輻射噪聲，高速攝影儀記錄不同產氣速率下氣泡形成情況如表2所示，隨著產氣速率增加，煙火藥水下燃燒產生的氣泡數量減少，但氣泡直徑有所增加。文中分別選取產氣速率相差較大1#、4#藥劑進行對比研究，如圖3所示，發現1#和4#藥劑氣泡數量相差很大，且氣泡形態也有不同，4#藥劑雖然單位時間內氣泡產生數量少，但其分布區域一直到管口很遠處，并且容易在相鄰氣泡間形成首尾相連，且相互間合并和破裂過程比較劇烈，即使在距離管口很遠處，仍然有大團氣體進行著比較快速的合并和破裂。而前者生成的氣泡比較飽滿，氣泡間合并、破裂過程大多發生在管口附近，而且其合并和破裂的速率和強度都隨著高度的上升而逐漸下降。已有研究表明，氣泡在水下是一種噪聲源且氣泡尺寸越大，擾動能力越強，形成的噪聲激發源也隨之增強［19］。

圖3　煙火藥水下燃燒氣泡形成周期過程中的氣泡狀態Fig.3 The bubbles status of pyrotechnic underwater combustion in bubbles formation process

表2　不同配方的煙火藥水下燃燒氣泡特征Table 2　The bubbles characteristics of different formulas pyrotechnics underwater combustion

3.2水下壓縮氣體不同噴口流量下聲輻射特征

壓縮氮氣源的選擇主要為體現煙火藥燃燒形成的氣泡特征，盡量與煙火藥不同氣體產物量水下氣泡特征相似，實驗研究發現，當噴射流量為70 ml/s時，能夠產生一定數量的氣泡，當噴射流量為141 ml/s時，氣流呈噴射狀，水箱中的水劇烈翻滾，并大量溢出水箱，實驗選擇噴氣為70 ml/s、100 ml/s、122 ml/s、141 ml/s，同時用高速攝影儀記錄了噴口處氣泡的變化狀態，不同流量下壓縮氮氣聲輻射特征曲線如圖4所示。

不同噴口流量的壓縮氮氣源聲輻射特征變化趨勢相同，均隨著頻率升高，聲壓級逐漸下降，100 Hz附近達到峰值，當壓縮氮氣源噴氣流量從70 ml/s增加到141 ml/s時，峰值聲壓級由136 dB增加到139 dB，0～1000 Hz頻段內總聲壓級用公式（2）計算，從144 dB增加到147 dB，得出隨著噴射流量的增加，峰值聲壓級、0～1000 Hz頻段內的總聲壓級均上升。

壓縮氮氣源之所以能產生聲輻射，是因為氮氣噴氣在管口處形成氣液兩相流場、連續氣泡流，氣泡在形成、合并及潰滅等過程中產生的噪聲共同作用的結果。管口氣泡在氣源氣體壓力沖擊下，脫離管口上浮，但由于氣泡下方存在低壓區，下方氣泡速度增大，追趕上方氣泡并與之合并，同時由于大體積氣泡在運動過程易破碎成多個小氣泡［20］。同時，隨著噴氣流量增加，會在噴口處依次形成大量氣泡。高速攝影儀記錄的壓縮氮氣源不同噴氣流量下氣泡形成情況如表3所示，隨著噴氣速率增加，壓縮氮氣源水下形成的氣泡直徑雖然增加，但氣泡數量減少。文中分別選取產氣速率相差較大1#、4#噴射流量進行對比研究，如圖5所示，發現1#和4#氣泡數量相差很大，且氣泡形態也有不同，后者氣泡形成后短時間內就能達到最大直徑，且形狀不規則，呈現橢球狀，極易在管口處破裂。而前者氣泡形狀較規則，接近球狀，其破裂與合并過程大都發生在上升過程。而根據公式（5）可知，不同噴氣流量的壓縮氮氣水下噴射時，其形成的氣泡在水中的共振頻率分別為161 Hz、140 Hz、107 Hz、87 Hz，均集中為100 Hz附近。

圖4　不同噴口流量下壓縮氮氣聲輻射特征Fig.4 The acoustic radiation characteristics of compressed nitrogen under different nozzle flowing

表3　不同噴氣速率壓縮氮氣水下噴射氣泡特征Table 3　The bubbles characteristics of different compressed nitrogens source

3.3煙火藥水下燃燒和壓縮氮氣的聲輻射特性區別

根據對煙火藥水下燃燒和壓縮氮氣源的聲輻射特征研究可以得出隨著氣體的增加，兩者的峰值聲壓級與0～1000 Hz內總聲壓級均增加，而聲輻射特征變化趨勢基本相當，由此可見，氣體流量的大小對兩者水下聲輻射有較大影響，因此為了比較兩者聲輻射特征的異同，本文對比研究氣體流量相當的煙火藥水下燃燒與壓縮氮氣源產生的聲輻射特征差異，以及兩者在氣泡形態、尺寸等的差異，聲輻射特征如圖6所示。

煙火藥水下燃燒與壓縮氮氣源水下噴氣的聲輻射特征變化趨勢類似，峰值頻率均位于100 Hz附近，而100 Hz之后隨著頻率的增加，聲壓級逐漸下降，但氣體流量相近時，煙火藥水下燃燒的聲壓級均高于同頻率下壓縮氮氣源，兩者的峰值聲壓級分別為157 dB、139 dB，相差18 dB，0～1000 Hz內總聲壓級分別為160 dB、147 dB，相差13 dB。

圖5　壓縮氮氣水下噴射氣泡形成周期中的氣泡狀態Fig.5 The bubbles status of compressed nitrogen source in the bubbles formation process

圖6　3#煙火藥水下燃燒與流量70 ml/s的壓縮氮氣源水下噴氣聲輻射特征Fig.6 The acoustic radiation characteristics of 3#pyrotechnic underwater combustion and the flow rate of 70 ml/s compressed nitrogen source

當氣體流量相近時，雖然根據公式（4）可以得出，無論是不同產氣速率的煙火藥水下燃燒還是不同氣體流量下的壓縮氮氣水下噴氣，所形成的氣泡在水下共振頻率均在100Hz附近。但是煙火藥水下燃燒產生的聲輻射特征相比于壓縮氮氣源更加顯著，高速攝影儀記錄流量相近時煙火藥水下燃燒與壓縮氮氣水下噴氣管口處氣泡形成過程，如下圖7所示，由于煙火藥水下燃燒時高溫燃燒產物噴射進入水中，其與周圍水之間的溫差加大，兩者間傳熱加劇，從而導致其管口氣泡在形成過程中，新氣泡直徑不斷增大，當流量均為70 ml/s左右時，煙火藥在噴管處形成氣泡直徑為67 mm，與此同時新氣泡的上部與上個氣泡的底部之間會形成連接通道，新氣泡內的部分氣體和煙顆粒進入到上個氣泡，加速上個氣泡的破裂。而壓縮氮氣源水下噴氣時，氣泡基本上是一個一個地在管口處形成后慢慢增長到最大直徑，如噴氣流量為70 ml/s時，在管口處形成的氣泡直徑為50 mm，兩個氣泡間很少出現連接通道，由此可知煙火藥水下燃燒相比于壓縮氮氣源水下噴氣，氣泡尺寸越大，破裂能力越強，形成的噪聲激發源也隨之增強［19］。

此外，溫度也對水下氣泡擾動產生較大影響，文獻［21］通過研究液體溫度對氣泡聚并的影響，發現氣泡聚并臨界速度隨著液體溫度增加而上升，煙火藥水下燃燒產生大量高熱氣體噴射進入水中，勢必會使其周圍水域溫度升高，因此文中假設水箱內初始水溫為室溫，即25°C，噴口處形成氣泡為絕熱過程，即煙火藥水下燃燒所產生的熱量完全傳遞到水中，利用表面張力隨溫度變化關系以及氣泡破裂臨界條件［22-23］可以得到公式（6）。

式中，T——溫度，°C；P1，P2——氣泡的內外壓強，Pa。

根據公式（6）可以得出，隨著水溫的升高，氣泡的內外壓差增加，導致氣泡更加更加容易潰滅，而氣泡的潰滅會產生強烈的聲信號［24］。

圖7　氣體流量相近的煙火藥水下燃燒與壓縮氮氣水下噴射管口氣泡形成過程Fig.7　The nozzle bubbles formation of pyrotechnic underwater combustion and compressed nitrogen insufflation in the similar gas flowing

4　結論

本文為研究煙火聲源水下燃燒聲輻射機理，采用煙火藥燃燒和壓縮氣體噴射聲源對比的研究方法，主要得出以下結論：

（1）煙火藥水下與壓縮氮氣聲源聲輻射變化特征相似，峰值頻率均為100 Hz附近，當超過峰值頻率，聲壓級隨著頻率的增加而逐漸減小。

（2）煙火藥水下燃燒與壓縮氮氣源的聲輻射特征均隨著產氣速率的增加而增強。

（3）煙火藥水下燃燒的聲壓級比壓縮氮氣源聲壓級大，兩者峰值聲壓級分別為163 dB、139 dB，相差24 dB，0～1000 Hz頻段內的總聲壓級分別為165 dB、147 dB，相差18 dB。

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Comparison of underwater acoustic radiation characteristics between pyrotechnic and compressed nitrogen

QI Jiayang?GUAN HuaLI JieSONG Dongming
（Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

In this paper,in order to study the underwater acoustic radiation mechanism of pyrotechnic combustion,it compared injection source of pyrotechnic combustion and compressed nitrogen.The acoustic radiation characteristics of two different sound sources in different volume flows were investigated by using the underwater acoustic test system.The results show that the acoustic radiation characteristics of pyrotechnic combustion is similar to the compressed nitrogen and the radiation frequencies mainly concentrate on the range of 0～1000 Hz,of which the peak frequencies are both at about 100 Hz.Besides,the sound pressure level（SPL）and the peak SPL are enhanced with the increase of gas flowing.As the gas flowing increases from 60 ml/s to 84 ml/s,the peak SPL of pyrotechnic increases from 155 dB to 163 dB and the SPL in the range of 0～1000 Hz increases from 159 dB to 165 dB.The peak SPL of compressed nitrogen source increases from 136 dB to 139 dB and the SPL in the range of 0～1000 Hz increases from 144 dB to 147 dB with the gas flowing increasing from 70 ml/s to 141 ml/s.Compared with the compressed nitrogen source,the SPL of underwater pyrotechnic combustion is higher at the same frequency,the peak SPL of them are separately 157 dB and 139 dB and the SPL of them in the range of 0～1000 Hz are separately 160 dB and 147 dB.

Pyrotechnic,Compressed nitrogen,Acoustic radiation,Flowing

O429

A

1000-310X（2015）01-0032-08

10.11684/j.issn.1000-310X.2015.01.005

2014-04-01收稿；2014-07-09定稿

漆家洋（1990-），男，安徽人，碩士研究生，研究方向：高聲壓煙火裝藥結構設計及聲輻射特征。

E-mail：15366105783@163.com