ГЛУШИТЕЛЬ ДЛЯ СТРЕЛКОВОГО ОРУЖИЯ

Полезная модель относится к многокамерным глушителям расширительного типа, предназначенным для механического подавления звука при выстреле из стрелкового оружия.
В настоящее время наибольшее распространение получили многокамерные глушители расширительного типа и интегральные. Эффективность глушителя повышается при последовательном расположении нескольких камер, разделенных перегородками, тоже с отверстиями, соосными стволу, при этом рассчитывается его внутренняя газодинамика, когда за счет использования фигурных перегородок сложного профиля в его корпусе создаются поворот потока газа, противопотоки и турбулентные завихрения. Частицы газа, соударяясь, быстро теряют при этом свою энергию.
Из новейших отечественных разработок в этой области следует отметить винтовку снайперскую специальную (ВСС) "Винторез", созданный в ЦНИИ точмаш (г.Климовск, Моск. обл.), которая принята на вооружение спецподразделений Российской армии и Министерства внутренних дел. В этом оружии глушитель интегрирован (но не составляет одно целое) со стволом, обычного типа, с завихрителями потока газов. Пороховые газы попадают в полость глушителя через ряд веерообразных отверстий в стенке ствола. В расширительной камере происходит сброс давления, затем газы разделяются на противопотоки и окончательно охлаждаются.
На фиг.1 показана конструкция (прототип) интегрированного глушителя бесшумной снайперской винтовки «Винторез». Ствол в передней части (после газовой каморы) имеет несколько рядов отверстий, выводящий часть пороховых газов со дна нарезов в заднюю часть интегрированного глушителя. В передней части, перед дульным срезом ствола, глушитель имеет ряд стальных диафрагм с отверстием для пули, тормозящих пороховые газы внутри глушителя.
Цель полезной модели - изменение внутренней конструкции глушителя в местах расположения наклонных диафрагм и звукообразования в свободном пространстве на глушитель, состоящий из перфорированного завихрителя, представляющего собой «винтообразную лестницу» с отверстиями в виде кольцевых секториальных областей и камеры с воронкообразной диафрагмой. При стрельбе в завихрителе с перфорацией возникают сильные завихрения пороховых газов, их скорость снижается, что приводит к уменьшению уровня интенсивности звука (громкости) на 12 дБ ниже, чем в штатном глушителе при прежних геометрических размерах корпуса глушителя.
Математическая модель звукообразования является моделью высокого уровня - краевая задача решается без упрощения уравнений акустики и геометрии краевых условий
на неоднородностях полости глушителя. Математическая модель учитывает реальные структуры неоднородностей в полости глушителя, геометрия которых может быть достаточно сложной. Решить такую краевую задачу реально можно только с использованием декомпозиционного подхода, который позволяет строить математические модели глушителей со сложными структурами неоднородностей в полости и осуществлять быстрый переход от одной модели глушителей к другой. Для построения математических моделей звукообразования в глушителях использовались два вида базовых элементов:
1. Отрезок продольно-регулярного акустического волновода.
2. Стык акустических волноводов с различными структурами поперечных сечений.
Эти базовые элементы являются достаточно универсальными автономными блоками, из них можно строить широкий класс математических моделей неоднородностей для полости глушителя (диафрагмы, штыри, криволинейные поверхности различных перегородок и т.д.).
Вычислительный эксперимент имеет целый ряд преимуществ перед экспериментом реальным. Он значительно дешевле и доступнее, позволяет глубже понять результаты реального эксперимента, сопоставить их с теорией. Математическая модель звукообразования в глушителе является моделью высокого уровня по отношению к уравнениям движения и непрерывности (из них формируются уравнения акустики).
1
1
1
1
1
1
1
Для того, чтобы определить акустическое поле в точке наблюдения М, необходимо знать функции P(t,r,α),  на сечении S, которое является границей между стволом и глушителем. Из внутренней баллистики известно, что эти функции изменяются во времени по экспоненциальному закону: P(t,r,α)=P(r,α)exp(-βt), . Считаем, что давление P(t,r,α) и вектор скорости частиц газа  не зависят от переменных r и α и являются постоянными величинами. Тогда функции P(t,r,α) и  на сечении S представим в виде:
1
1
P(t,r,α)=Pexp(-βt), . На рис.1 показаны эти функциональные зависимости. Доопределим их периодически с периодом Т=τ (физический смысл - стрельба бесконечно длинной очередью) и представим временными рядами Фурье:
где,
1
Временные гармоники давления Р(nω) и скорости частиц  представим пространственным рядом Фурье
k(1)
где Р(r,α),  - собственные функции круглого акустического волновода. С учетом ортонормировки коэффициенты рядов Фурье (2) вычисляются следующим образом:
Подставляя (1) в (4), а (2) в (5) получаем формулы для вычисления коэффициентов пространственных рядов Фурье (3)
n=0,±1,±2, ..., m=1, 2, 3, ...,
0m
где индекс k={0,m}, коэффициент А определяется из условия ортонормировки:
k(1)
k(1)
1
1
1
2
Коэффициенты а(nω), b(nω) являются компонентами векторов a, b. Зная a, b и использую матричное выражение, находим вектора А, В, компонентами которых
являются коэффициенты рядов. Для каждой временной гармоники (nω), используя ряды, определяем акустическое поле в точке наблюдения М. Нестационарное акустическое поле определяется по временным гармоническим составляющим с помощью рядов.
1
1
1
1
β
γ
Входными величинами для расчета акустического поля являются P (давление в стволе на бесконечно малом расстоянии от сечения S),  (скорость частиц газа в стволе на бесконечно малом расстоянии от сечения S), параметры β и γ в экспоненциальных зависимостях давления и скорости частиц газа от времени t (рис.1). Давление P, скорость частиц газа , параметры β и γ определяются экспериментальными методами или теоретическими из решения внутренней задачи баллистики. Параметры β и γ определяем из длительности времени нагружения глушителя со стороны ствола. Так на уровне 0,25 параметры β и γ через длительность импульсов нагружения τ и τ определяются
1
1
2
β
γ
Входными параметрами для математической модели являются: давление в стволе на SP, скорость частиц газа в стволе на S, длительность импульсов τ, τ.
Математическое моделирование звукообразования бесшумной снайперской винтовки «Винторез».
На фигуре 1 показана конструкция прототипа интегрированного глушителя бесшумной снайперской винтовки «Винторез». Ствол в передней части (после газовой камерсфеы имеет несколько рядов отверстий, выводящий часть пороховых газов со дна нарезов в заднюю часть интегрированного глушителя. В передней части, перед дульным срезом ствола, глушитель имеет ряд стальных диафрагм с отверстием для пули, тормозящих пороховые газы внутри глушителя.
0
0
0
На рис.2 показаны результаты расчета зависимости интенсивности звука от времени в точке наблюдения М(r,θ,α).
Интенсивность звука определялась как
(среднее по времени значение плотности потока энергии, которую несет с собой звуковая волна). Результаты математического моделирования получены при количестве временных гармоник - 150; пространственных - 100. Гладкая поверхность неоднородности глушителя апроксимировалась ступенчатой моделью, количество ступенек - 45. Дальнейшее расширение базиса временных, пространственных гармоник и увеличение количества ступенек практически не изменяло результатов математического моделирования (внутренняя сходимость вычислительного процесса).
0
0
Т
-12
2
Субъективно оцениваемая громкость звука возрастает гораздо медленнее, чем интенсивность звуковых волн. При возрастании интенсивности в геометрической прогрессии громкость возрастает приблизительно в арифметической прогрессии, то есть линейно. На этом основании уровень громкости интенсивности L определяется как логарифм отношения интенсивности данного звука I к интенсивности I (I=10 B/м - порог слышимости):
которая измеряется в децибелах.
2
max
0
Интенсивность звука I (Вт/м) на графике (рис 2) имеет резко выраженный экстремальный характер в окрестности точки t=25 мкс, в децибелах - импульс интенсивности звука растянут и имеет квазипрямоугольную форму (звуковое ощущение от выстрела будет наблюдаться в течение времени τ=430 мкс).
0
0
0
0
0
0
На рис.3 проведено сравнение результатов математического моделирования с натурным экспериментом. В точке М(r,θ,α) (r=3 м, θ=15°, α=0) измерялась интенсивность звука в децибелах, она была равна 124 дБ.
1,
1
1
6
2
6
2
Изменяя в математической модели давление в канале ствола Р добились, чтобы расчетное значение интенсивности звука совпадает с экспериментальным (Р=13,7·10 Н/м). Остальные точки на графике получены с помощью математической модели при P=13,7·10 Н/м. Как видно из графика на рис.3 совпадение результатов математического моделирования с экспериментом вполне удовлетворительное.
На фиг.2 показана заявляемая конструкция глушителя с завихрением акустического потока на базе прототипа интегрального глушителя снайперской винтовки «Винторез».
Фигура 2 - Глушитель с завихрением пороховых газов на базе интегрального глушителя снайперской винтовки «Винторез».
Математическое моделирование винтовой поверхности проводилось с использованием двух базовых элементов:
- отрезок акустического волновода с секториальной областью кольца;
- стыка двух акустических волноводов с различными секториальными областями колец.
p
p
Базовые элементы позволяют моделировать винтовую поверхность как сплошную (α=0), так и с перфорацией (α≠0). Эти базовые элементы рассматривались как акустические волноводные трансформаторы, для них определялись матрицы рассеяния и импеданса необходимые для построения декомпозиционной математической модели звукообразований в глушителе.
0
0
0
0
0
0
На рис.6 показаны результаты математического расчета зависимости интенсивности звука в точке наблюдения М(r,θ,α) (r=3 м,θ=15°, α=0) от угла завихрения пороховых газов, который определялся количеством витков винтовой поверхности. Из графиков на рис.6 видно, что при ψ〉4π перфорация снижает уровень интенсивности звука, при этом наименьшее значение интенсивности звука смещается в сторону больших углов завихрения. Наименьшие значения интенсивности звука наблюдаются для углов завихрения ψ=4π÷6,5π и составляют, примерно, 122 дБ.
Пакет прикладных программ, разработанный на основе декомпозиционного подхода решения краевых задач, позволяет проводить вычислительный эксперимент для широкого класса структур неоднородностей в полости глушителя. На фиг.2 показана заявляемая конструкция, разработанная и созданная на основе вычислительных экспериментов.
Фигура 2 - Однокамерный глушитель с завихрением и перфорацией пороховых газов: 1 - завихритель с перфорацией; 2 - воронкообразная диафрагма; 3 - камера
Конструкция глушителя состоит из перфорированного завихрителя и камеры с воронкообразной диафрагмой. Перфорированный завихритель представляет собой «винтообразную лестницу» с отверстиями в виде кольцевых секториальных областей. Фрагмент «винтообразной лестницы» с перфорацией показан на фиг.2. Во время стрельбы в завихрителе с перфорацией возникают сильные завихрения пороховых газов, их скорость снижается, что приводит к уменьшению уровня интенсивности звука.
1
р
Фигура 3 - Фрагмент конструкции завихрителя с перфорацией: α, d - размеры ступеньки; α - угол перфорации.
0
0
0
На рис.7 показаны результаты математического расчета зависимости интенсивности звука в точке наблюдения М(r,θ,α) в зависимости от угла перфорации, при этом количество оборотов «винтообразной лестницы» оставалось постоянным и было равно 4π (два оборота). Это выполняется
если толщину ступеньки (фиг.5) брать равным . При небольших углах перфорации, как видно из графика на рис.7, наблюдается уменьшение уровня интенсивности звука. Это объясняется тем, что при малых углах перфорации происходит взаимодействие перфорированных потоков с вихревыми, которое приводит к уменьшению уровня интенсивности звука. При больших углах перфорации скорость вихревых потоков пороховых газов снижается, а это приводит к увеличению уровня интенсивности звука.
На рис.8 показаны результаты математического расчета диаграммы направленности однокамерного глушителя с завихрением и перфорацией пороховых газов и сравнение их с экспериментальными результатами. Как видно из графика на рис.8 совпадение результатов математического моделирования с экспериментом вполне удовлетворительное.
При помощи декомпозиционной математической модели ислледовано звукообразование от параметров структур неоднородностей штатного глушителя к снайперской винтовке «Винторез». Проведено сравнение полученных результатов математического моделирования с экспериментом.
Предложена конструкция однокамерного глушителя с воронкообразной диафрагмой, завихрением и перфорацией пороховых газов. Проведено математическое моделирование звукообразования и сравнение результатов с экспериментом. Показано, что уровень интенсивности звука для однокамерного глушителя с завихрением и перфорацией пороховых
газов на 12 дБ ниже, чем для штатного интегрированного глушителя (прототип) глушителя к снайперской винтовке «Винторез».
Предлагаемые образцы 9-мм ВСС "Винторез" со штатным глушителем и с глушителем предложенной конструктивной схемы с завихрением и перфорацией пороховых газов представлены соответственно на фиг.4, 5, 6.