基于大能量火花放電的槍聲模擬系統設計?

王 龍 谷平反 王聰麗 李書日 張財謙 崔小葉

(中國人民武裝警察部隊士官學校 杭州 311400)

0 引言

狙擊手因其精確打擊和一槍制敵能力，在現代戰爭中發揮著越來越重要的作用。對狙擊手槍聲信號的有效探測有利于準確定位和壓制敵方狙擊手，確保己方牢牢掌握戰場主動權[1]。近年來，槍聲信號探測技術得到了廣泛研究和應用，美、英、法等國家已在此基礎上開發出適合單兵背負、車載、艦載和機載多種作戰任務的一系列反狙擊裝備[1-3]；國內圍繞槍聲信號特征分析[4-5]、槍聲信號識別算法[6]、聲源定位和測距方法[7-8]等槍聲探測技術中的關鍵問題進行了深入研究，并取得了豐碩成果。

面對未來戰場上槍聲探測型反狙擊裝備的嚴重威脅，為利用虛假目標欺騙和干擾敵方裝備、隱蔽和掩護己方狙擊手，準確模擬槍聲成為探索槍聲探測型反狙擊裝備對抗方法必須解決的關鍵問題，遺憾的是關于槍聲模擬方法的研究成果鮮有公開報道。本文利用點火電容放電所輻射的強電場擊穿高能電極空氣間隙，控制儲能電容組火花放電發出爆震聲實現槍聲模擬，設計了一種基于大能量火花放電的槍聲模擬系統，對系統的工作原理進行了理論分析和仿真驗證，對所模擬槍聲的聲級以及時域和頻域特性進行了試驗測試。所模擬槍聲與某型槍械真實射擊槍聲聲級吻合、頻譜變化規律一致，具有較好的一致性。

1 槍聲模擬系統結構設計

1.1 電路設計

基于大能量火花放電的槍聲模擬系統，通過將電容組儲存的電量瞬間集中放電來產生高聲級爆震聲實現槍聲模擬，儲能電容組放電回路通斷的可靠控制是此類系統設計的關鍵和難點。通常情況下，儲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通電流達不到槍聲模擬的要求。

本文采用高壓小電流擊穿點火電極空氣間隙實現點火電容放電回路通斷控制，利用點火電容放電輻射的強電場擊穿高能電極空氣間隙實現儲能電容組放電回路通斷的控制。該系統的主電路由一組點火電路和兩組儲能放電電路組成，如圖1所示。圖1(a)中，點火電路的高壓發生器T1將直流低電壓輸入轉換為小電流高壓輸出以擊穿點火電極的空氣間隙，控制點火電容C1放電以輻射強電場用于擊穿高能電極空氣間隙。點火電路中，市電輸入經整流橋D3給點火電容C1充電，高壓發生器輸出端和電容C1的正負極分別經二極管D1和D2連接至點火電極組的正負極。其中，電阻R1和R2用于控制點火電容C1的充電速度和充電電壓，二極管D1用于阻止點火電容C1放電過程中的漏電流竄入高壓發生器內部，二極管D2用于保護電容C1的充電回路器件避免被高壓發生器T1的輸出高壓擊穿。

圖1(b)中，市電輸入正周期，電流經繼電器JK3、限流電阻R3、整流二極管D4對儲能電容組C2充電；市電輸入負周期，電流經整流二極管D5、限流電阻R3和繼電器JK3對儲能電容組C3充電。當高能電極間的空氣間隙被擊穿時，電容組C2和C3串聯升壓后進行大能量火花放電，發出爆震聲實現槍聲模擬。

圖1 槍聲模擬系統的電路結構Fig.1 Principle diagram of circuit structure

1.2 放電極組設計

槍聲模擬系統的放電極組由兩根點火電極和四根高能放電電極組成，結構如圖2所示。六根電極共圓心排布，點火電極位于高能放電電極所在圓周的內側，且點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°。兩根點火電極分別連接至圖1(a)中點火電極組的正負極處，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極處。點火正負電極空氣間隙的長度為d1，每對高能放電電極空氣間隙的長度為d2，點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，以兩點火電極中點為坐標原點，原點與點火負電極連線方向為x軸正方向建立直角坐標系，如圖2所示。高能放電電極組正負極間的空氣間隙1和空氣間隙2可以分別表述為

圖2 放電極組結構示意圖Fig.2 Schematic of electrode group

1.3 工作過程

1.3.1 槍聲模擬系統的充電過程

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

1.3.2 槍聲模擬系統的放電過程

一旦點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]，點火電容C1的放電回路隨之導通。為確保安全，點火繼電器JK1閉合前需先斷開充電繼電器JK2和JK3。JK1閉合時，高壓發生器T1的輸出高壓加載在點火電極上，當該電壓值達到兩極針間隙對應的靜態擊穿電壓時，點火電極之間的空氣被擊穿。由文獻[11]知，點火電極的靜態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。

點火電極間的空氣被擊穿后，點火電容C1、二極管D2、點火電極、點火電極之間的空氣間隙和導線組成的放電回路由開路瞬間轉換為導通，點火電容C1儲存的電量通過點火電極快速釋放，輻射出強電場。假設電容C1放電持續時間內，點火電極之間的空氣間隙電阻R0保持不變[9]，根據基爾霍夫定律，電容C1的放電過程滿足[9]

式(4)中：u1(t)為電容C1兩端電壓；C1為點火電容的容量；點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]。由無輸入RC電路初始條件求解方程(4)可得

根據文獻[13-14]知，由點火電容的放電電流i1(t)可求解其所輻射電場的時空分布。電容C1放電時，為便于分析高能電極組正負極間空氣間隙上各點的電場強度，以點火電極正負極中點為坐標原點，原點與點火正電極連線方向為η軸正方向建立柱坐標系，如圖3所示。

圖3 點火電容的放電輻射場模型Fig.3 Electric field model caused by radiation of ignition capacitor

對于空間中任意一點(η,r,φ)，點火電容C1放電輻射的電場可以表示為

聯立式(1)、式(5)式(2)和式(6)可求得點火電容C1放電時，高能放電正負極間空氣間隙任意位置的電場強度。若某對放電極針空氣間隙上每一點的電場強度均達到空氣擊穿場強30 kV/cm，則該對電極間的空氣被擊穿[13]，儲能電容組C2和C3串聯升壓后，通過該對電極和電極間空氣間隙組成的回路發生大能量火花放電發出強烈的爆震聲。

1.4 參數設計

槍聲模擬系統設計過程中，電極組結構參數的確定可從以下兩方面考慮：(1)高壓發生器T1的輸出電壓需可靠擊穿點火電極間的空氣間隙；(2)點火電容放電輻射的電場需同時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的銅材質柱形材料加工而成，電極組的結構參數取d1=8 mm，d2=6 mm，h=10 mm。

根據電極參數d1和式(3)可求得高壓發生器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。將電極組結構參數代入式(1)、式(5)式(2)和式(6)，并利用空氣擊穿場強30 kV/cm的約束條件，可以確定點火電容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以及音質特性，C2和C3取值越大所模擬槍聲的聲級越高但聲音越沉悶，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導通電流和工作電壓特性，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 仿真及實驗結果分析

2.1 高能電極空氣間隙場強的仿真分析

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，高能電極間的電場強度隨位置變化曲線如圖4(a)所示，其中空氣間隙上各點沿x方向以0.015 mm為步長遞增。以高能電極間場強最小位置(1.5 mm,2.6 mm,10 mm)為例，以0.1 ms為步長做出其場強隨時間的變化曲線圖4(b)和場強的時域展寬曲線圖4(c)。

圖4 點火電容放電時的輻射電場強度Fig.4 Electric field intensity radiated by discharge of ignition capacitor

由于空氣間隙1和空氣間隙2關于點火電極的空氣間隙成軸對稱分布，空氣間隙1和空氣間隙2上x坐標相同的兩點電場強度相同。圖4(a)曲線表明，點火電容放電10 ms時，高能電極空氣間隙上各點的電場強度關于中心對稱，在空氣間隙中心處取極大值，電場強度隨各點偏離中心距離的增加而逐漸減小。

儲能電容組放電回路的通斷狀態取決于高能電極空氣間隙1和空氣間隙2上各點是否被點火電容放電輻射的強電場擊穿，當空氣間隙上任意點的電場強度均大于30 kV/cm時，儲能電容組放電回路導通；當空氣間隙上各點的電場強度逐漸小于空氣擊穿電壓時，儲能電容組放電回路轉換為開路狀態。從圖4(b)可以看出，點火電容放電回路導通的瞬間輻射出強電場，隨著放電時間的增加，高能電極空氣間隙上的電場強度迅速減小，在20 ms時間內由約為106kV/cm急劇減小為0.1 kV/cm以下。為進一步分析高能電極間空氣間隙的擊穿特性，對圖4(b)中的場強變化曲線在10 ms～12 ms范圍內進行局部展寬，如圖4(c)所示。從圖4(c)可以看出，對于空氣間隙1上場強最小的點(1.5 mm,2.6 mm,10 mm)，在點火電容放電11.6 ms時其電場強度由11.5 ms時的33.1 kV/cm減小為29.9 kV/cm，高能電極間的空氣間隙由導通狀態轉換為開路狀態。

2.2 槍聲模擬系統性能的試驗測試

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

在空曠場地上，天氣晴朗且無風的條件下對槍聲模擬系統的性能進行測試，試驗裝置如圖5所示。為確保安全，聲音測試和采集設備架設在與射擊方向成90°、距離槍口5 m的位置，且聲音測試和采集設備與槍口處于同一高度。

2.2.1 模擬槍聲的聲級分析

某型槍械單發射擊10次，用GM1353型聲級計測試槍聲聲級并計算平均值E記為該類槍聲的聲級真值。將槍械替換為槍聲模擬系統，控制模擬系統鳴槍30次測試其聲級值，記為樣本數據[x1,···,xn]，其中n=30。

模擬槍聲的聲級誤差為

模擬槍聲的聲級標準差為

根據式(7)做出槍聲模擬系統的聲級誤差曲線如圖6所示，可以看出系統所模擬槍聲與真實射擊槍聲的聲級誤差約為-2.1～5.8 dB(A)，將樣本數據代入式(8)求得模擬槍聲的聲級標準差為1.974 dB(A)，系統所模擬槍聲的聲級穩定且與真實射擊槍聲聲級吻合。

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

2.2.2 模擬槍聲的波形分析

槍械真實射擊和模擬系統發出的槍聲經適當衰減后使用錄音筆采集槍聲信號，并任取一組錄音從時域和頻域將模擬與真實槍聲對照分析，如圖7～8所示。

聲音信號的采樣頻率記為fs(Hz)，以時間間隔Δt(s)(Δt=1/fs)為步長做出模擬與真實槍聲的時域波形和相關運算曲線如圖7(a)和圖7(b)所示。圖7(a)表明，模擬與真實槍聲的時域變化規律一致，信號幅度隨時間增加以指數形式迅速減小，由于槍聲模擬系統的點火電極未進行機械封裝，儲能電容組火花放電生成的爆炸波直接向空間輻射，與真實槍聲相比缺少了爆炸波經槍管反射產生時延后進入空間的雜散波，因此圖7(a)中的模擬槍聲與真實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，兩信號相關運算后存在著明顯的相關峰，進一步說明了模擬槍聲與真實槍聲在時域有較好的相似性。

圖7 模擬與真實槍聲的時域對照分析Fig.7 Compare analysis in time domain for simulated and real shot sound

分別對包含真實和模擬槍聲的單幀T(s)聲音信號進行傅里葉變換，以頻率間隔Δf(Δf=1/T)為步長做出頻譜曲線如圖8(a)和圖8(b)所示。結果表明，模擬槍聲與真實槍聲的能量都是主要集中在400Δf～1200Δf、1200Δf～1900Δf和1900Δf～10000Δf三個頻帶范圍內，模擬槍聲和真實槍聲在三個頻帶范圍內的頻譜質心依次為910Δf和1582Δf、4736Δf和840Δf、1592Δf和4436Δf。但真實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現象相吻合。

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

3 結論

本文設計了一種基于大能量火花放電的槍聲模擬系統，理論分析和仿真驗證了系統的工作原理，試驗測試了所模擬槍聲的聲級和波形特性。研究結果表明：

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

(2)仿真結果表明，點火電容開始放電時，高能電極間的空氣間隙由絕緣變為被擊穿，儲能電容組放電回路由開路變為導通；在點火電容放電11.6 ms以后，高能電極間各點的場強逐漸小于空氣擊穿強度，空氣間隙由導通狀態恢復為開路狀態。

(3)試驗結果表明，所模擬的槍聲與某型號槍械射擊槍聲的聲級誤差約為-2.1～5.8 dB(A)，標準差為1.974 dB(A)，模擬槍聲的聲級與真實槍聲吻合度高且性能穩定；除此以外，模擬槍聲波形在時域和頻域均與真實槍聲有較好的相似性，但真實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，下一步將對放電極組的封裝組件進行優化設計以進一步提高槍聲模擬的準確性。