Глушитель для стрелкового оружия

Полезная модель относится к многокамерным глушителям расширительного типа, предназначенным для механического подавлении звука при выстреле из стрелкового оружия с малым демаскирующим действием (ОМДД). Цель полезной модели - изменение внутренней конструкции глушителя. Предлагается 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, что подтверждают результаты математического расчета зависимости интенсивности звукообразования в точке наблюдения М от степени криволинейности образующих воронкообразных диафрагм, полученных при , Р₁=13,7·10 ⁶ Н/м³, ==50 мкс, Т=900 мкс, r₀=3 м, ₀=0, ₀=15°. Криволинейная поверхность заменялась ступенчатой моделью, при количестве ступенек 45 получена оптимальная камера глушителя.

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).

Для того, чтобы определить акустическое поле в точке наблюдения М, необходимо знать функции P₁(t,r,), на сечении S₁, которое является границей между стволом и глушителем. Из внутренней баллистики известно, что эти функции изменяются во времени по экспоненциальному закону: P₁(t,r,)=P₁(r,)exp(-t), . Считаем, что давление P₁(t,r,) и вектор скорости частиц газа не зависят от переменных r и и являются постоянными величинами. Тогда функции P ₁(t,r,) и на сечении S₁ представим в виде:

P₁(t,r,)=P₁exp(-t), . На рис.1 показаны эти функциональные зависимости. Доопределим их периодически с периодом Т= (физический смысл - стрельба бесконечно длинной очередью) и представим временными рядами Фурье:

где,

Временные гармоники давления Р ₁(n) и скорости частиц представим пространственным рядом Фурье

где Р_k(1)(r,), - 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, ...,

где индекс k={0,m}, коэффициент А_0m определяется из условия ортонормировки:

Коэффициенты а_k(1)(n), b_k(1)(n) являются компонентами векторов a₁ , b₁. Зная a₁, b ₂ и использую матричное выражение, находим вектора А, В, компонентами которых

являются коэффициенты рядов. Для каждой временной гармоники (n), используя ряды, определяем акустическое поле в точке наблюдения М. Нестационарное акустическое поле определяется по временным гармоническим составляющим с помощью рядов.

Входными величинами для расчета акустического поля являются P ₁ (давление в стволе на бесконечно малом расстоянии от сечения S₁), (скорость частиц газа в стволе на бесконечно малом расстоянии от сечения S₁), параметры и в экспоненциальных зависимостях давления и скорости частиц газа от времени t (рис.1). Давление P₁, скорость частиц газа , параметры и определяются экспериментальными методами или теоретическими из решения внутренней задачи баллистики. Параметры и определяем из длительности времени нагружения глушителя со стороны ствола. Так на уровне 0,25 параметры и через длительность импульсов нагружения и определяются

Входными параметрами для математической модели являются: давление в стволе на S₁P ₁, скорость частиц газа в стволе на S₂, длительность импульсов , .

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.

На рис.2 показаны результаты расчета зависимости интенсивности звука от времени в точке наблюдения М(r₀,₀,₀).

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).

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 I₀ (I ₀=10^-12 B_Т/м ² - порог слышимости):

которая измеряется в децибелах.

Интенсивность звука I (Вт/м²) на графике (рис 2) имеет резко выраженный экстремальный характер в окрестности точки t _max=25 мкс, в децибелах - импульс интенсивности звука растянут и имеет квазипрямоугольную форму (звуковое ощущение от выстрела будет наблюдаться в течение времени ₀=430 мкс).

На рис.3 проведено сравнение результатов математического моделирования с натурным экспериментом. В точке М(r₀,₀,₀) (r₀=3 м, ₀=15°, ₀=0) измерялась интенсивность звука в децибелах, она была равна 124 дБ.

Изменяя в математической модели давление в канале ствола Р_1, добились, чтобы расчетное значение интенсивности звука совпадает с экспериментальным (Р₁=13,7·10⁶ Н/м²). Остальные точки на графике получены с помощью математической модели при P₁=13,7·10 ⁶ Н/м². 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.

Базовые элементы позволяют моделировать винтовую поверхность как сплошную (_p=0), так и с перфорацией (_p0). Эти базовые элементы рассматривались как акустические волноводные трансформаторы, для них определялись матрицы рассеяния и импеданса необходимые для построения декомпозиционной математической модели звукообразований в глушителе.

На рис.6 показаны результаты математического расчета зависимости интенсивности звука в точке наблюдения М(r₀,₀,₀) (r₀=3 м,₀=15°, ₀=0) от угла завихрения пороховых газов, который определялся количеством витков винтовой поверхности. Из графиков на рис.6 видно, что при 4 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 =4÷6,5 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.

Фигура 3 - Фрагмент конструкции завихрителя с перфорацией: ₁, d - размеры ступеньки; _р - угол перфорации.

На рис.7 показаны результаты математического расчета зависимости интенсивности звука в точке наблюдения М(r₀,₀,₀) в зависимости от угла перфорации, при этом количество оборотов «винтообразной лестницы» оставалось постоянным и было равно 4 (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.

Глушитель для стрелкового оружия, состоящий из корпуса перед дульным срезом ствола, стальных диафрагм с отверстием для пули, тормозящих пороховые газы внутри глушителя, отличающийся тем, что конструкция глушителя состоит из перфорированного завихрителя, представляющего собой «винтообразную лестницу» с отверстиями в виде кольцевых секториальных областей и камеры с воронкообразной диафрагмой, при этом во время стрельбы 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, что подтверждают результаты математического расчета зависимости интенсивности звукообразования в точке наблюдения М от степени криволинейности образующих воронкообразных диафрагм, полученных при , P₁=13,7·10 ⁶ Н/м², ==50 мкс, Т=900 мкс, r₀=3 м, ₀=0, =15°, криволинейная поверхность заменялась ступенчатой моделью, при количестве ступенек 45 получена оптимальная камера глушителя.