[1]Полезная модель относится к многокамерным глушителям расширительного типа, предназначенным для механического подавления звука при выстреле из стрелкового оружия.
[2]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.
[3]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.
[4]На фиг.1 показана конструкция (прототип) интегрированного глушителя бесшумной снайперской винтовки «Винторез». Ствол в передней части (после газовой камеры) 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.
[5]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.
[6]Математическая модель звукообразования является моделью высокого уровня - краевая задача решается без упрощения уравнений акустики и геометрии краевых условий
[7]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:
[8]1. Отрезок продольно-регулярного акустического волновода.
[9]2. Стык акустических волноводов с различными структурами поперечных сечений.
[10]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.).
[11]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).
[12]Для того, чтобы определить акустическое поле в точке наблюдения М, необходимо знать функции P1(t,r,α), 
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,α)=P1(r,α)exp(-βt), 
. Считаем, что давление P1(t,r,α) и вектор скорости частиц газа не зависят от переменных r и α и являются постоянными величинами. Тогда функции P1(t,r,α) и на сечении S1 представим в виде:
[13]P1(t,r,α)=P1exp(-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:
[14]
[15]
[17]
[18]
[19]Временные гармоники давления Р1(nω) и скорости частиц 
представим пространственным рядом Фурье
[20]
[21]где Pk(1)(r,α), 
- собственные функции круглого акустического волновода. С учетом ортонормировки коэффициенты рядов Фурье (2) вычисляются следующим образом:
[22]
[23]
[24]Подставляя (1) в (4), а (2) в (5) получаем формулы для вычисления коэффициентов пространственных рядов Фурье (3)
[25]
[26]
[27]n=0,±1,±2, ..., m=1, 2, 3, ...,
[28]где индекс k={0,m}, коэффициент A0m определяется из условия ортонормировки:
[29]
[30]Коэффициенты аk(1)(nω), bk(1)(nω) являются компонентами векторов a1, b1. Зная a1, b2 и используя матричное выражение, находим вектора А, В, компонентами которых
[31]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.
[32]Входными величинами для расчета акустического поля являются P1 (давление в стволе на бесконечно малом расстоянии от сечения S1), 
(скорость частиц газа в стволе на бесконечно малом расстоянии от сечения S1), параметры β и γ в экспоненциальных зависимостях давления и скорости частиц газа от времени t (рис.1). Давление Р1, 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 τβ и τγ определяются
[33]
[34]Входными параметрами для математической модели являются: давление в стволе на S1P1, скорость частиц газа в стволе на S2, длительность импульсов τβ, τγ.
[35]Математическое моделирование звукообразования бесшумной снайперской винтовки «Винторез».
[36]На фигуре 1 показана конструкция прототипа интегрированного глушителя бесшумной снайперской винтовки «Винторез». Ствол в передней части (после газовой камеры) 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.
[37]На рис.2 показаны результаты расчета зависимости интенсивности звука от времени в точке наблюдения М(r0,θ0,α0).
[38]Интенсивность звука определялась как
[39]
(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).
[40]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 (I0=10-12 BТ/м2 - порог слышимости):
[41]
[42]которая измеряется в децибелах.
[43]Интенсивность звука I (Вт/м2) на графике (рис 2) имеет резко выраженный экстремальный характер в окрестности точки tmax=25 мкс, в децибелах - импульс интенсивности звука растянут и имеет квазипрямоугольную форму (звуковое ощущение от выстрела будет наблюдаться в течении времени τ0=430 мкс).
[44]На рис.3 проведено сравнение результатов математического моделирования с натурным экспериментом. В точке М(r0,θ0,α0) (r0=3 м, θ0=15°, α0=0) измерялась интенсивность звука в децибелах, она была равна 124 дБ.
[45]Изменяя в математической модели давление в канале ствола P1, добились, чтобы расчетное значение интенсивности звука совпадало с экспериментальным (P1=13,7·106 Н/м2). Остальные точки на графике получены с помощью математической модели при Р1=13,7·106 Н/м2. Как видно из графика на рис.3 совпадение результатов математического моделирования с экспериментом вполне удовлетворительное.
[46]На фиг.2 показана заявляемая конструкция глушителя с завихрением акустического потока на базе прототипа интегрального глушителя снайперской винтовки «Винторез».
[47]Фигура 2 - Глушитель с завихрением пороховых газов на базе интегрального глушителя снайперской винтовки «Винторез»
[48]Математическое моделирование винтовой поверхности проводилось с использованием двух базовых элементов:
[49]- отрезок акустического волновода с секториальной областью кольца;
[50]- стыка двух акустических волноводов с различными секториальными областями колец.
[51]Базовые элементы позволяют моделировать винтовую поверхность как сплошную (αp=0), так и с перфорацией (αp≠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.
[52]На рис.6 показаны результаты математического расчета зависимости интенсивности звука в точке наблюдения М(r0,θ0,α0) (r0=3 м, θ0=15°, α0=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.
[53]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.
[54]Фигура 2 - Однокамерный глушитель с завихрением и перфорацией пороховых газов: 1 - завихритель с перфорацией; 2 - воронкообразная диафрагма; 3 - камера.
[55]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.
[56]Фигура 3 - Фрагмент конструкции завихрителя с перфорацией: α1, d - размеры ступеньки; αp - угол перфорации.
[57]На рис.7 показаны результаты математического расчета зависимости интенсивности звука в точке наблюдения М(r0,θ0,α0) в зависимости от угла перфорации, при этом количество оборотов «винтообразной лестницы» оставалось постоянным и было равно 4π (два оборота). Это выполняется,
[58]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.
[59]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.
[60]При помощи декомпозиционной математической модели исследовано звукообразование от параметров структур неоднородностей штатного глушителя к снайперской винтовке «Винторез». Проведено сравнение полученных результатов математического моделирования с экспериментом.
[61]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
[62]газов на 12 дБ ниже, чем для штатного интегрированного глушителя (прототип) глушителя к снайперской винтовке «Винторез».
[63]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.
, P1=13,7·106 H/м3, τβ=τγ=50 мкс, Т=900 мкс, r0=3 м, α0=0, θ0=15°. Криволинейная поверхность заменялась ступенчатой моделью, при количестве ступенек 45 получена оптимальная камера глушителя.
, Р1=13,7·106 Н/м2, τβ=τγ=50 мкс, Т=900 мкс, r0=3 м, α0=0, θ0=15°, криволинейная поверхность заменялась ступенчатой моделью, при количестве ступенек 45 получена оптимальная камера глушителя.
