烟火型水下声源药剂设计及声辐射规律研究

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针对现有水下换能器声源、爆炸声源等难以实现超低频及连续声辐射的问题,采用烟火药水下燃烧的方式产生连续声辐射。设计可在水下燃烧产生声辐射的药剂,并研究其声辐射规律及机理。基于水声学原理,对水下气泡噪声理论和热声理论的分析,得出气泡噪声是水下发声的主要原因,以及热量对水下发声具有一定影响的结论。结合烟火药燃烧产物的特点,获得水下燃烧烟火药的技术途径。基于烟火药燃烧产生大量气体从而获得气泡声的技术途径,设计以高氯酸铵(AP)和端羟基聚丁二烯(HTPB)为基础的气泡型水声药剂,研究不同的添加组分对AP/HTPB体系燃烧性能的影响,燃烧实验表明,添加铝粉(Al)可提高其燃烧温度,N添加剂可提高反应速率,从而提高燃烧速度,有助于水下燃烧。基于燃烧产生高热量的热声技术途径,设计以铝粉及金属氧化物为基础的高热型水声药剂,通过燃烧实验表明,纯的铝热剂难以点燃,添加30~50%“引燃组分”可以使得高热剂顺利点燃;通过正交试验设计,借助燃烧试验,利用燃烧速度、燃烧温度、火焰高度为评价依据,对各组分质量百分比进行优化及影响规律分析,结果表明对Al/Mn O2和Al/Fe3O4型高热剂燃烧速度、燃烧温度及火焰高度影响较大的因素是引燃组分中2的含量,对Al/Cu O型高热剂影响较大的因素是铝热剂本身;最终基于点燃可靠性及燃烧产生高热量的要求,得到三种适用于水下燃烧的优选配方。为获得稳定燃烧的水声药剂配方,研究气泡型水声药剂及高热型水声药剂水下燃烧性能及影响规律。水下燃烧声辐射测试实验表明,AP/HTPB基气泡型水声药在10~250Hz频段内能产生连续的声辐射,当Al粉含量为20%,AP/HTPB基水声药的声压级最大,为161.08 d B。高热型水声药在10~125 Hz频段内能产生连续的声辐射,随着高热型水声药在水下燃烧速度的增加,声压级数值增加,其中Al/Cu O高热型水声药声压级最大,为157.04 d B。基于声阻抗与体积流速建立气泡型水声药产生声压级与气体流速表达式,通过Clapeyron方程建立高热型水声药声压级与产热量表达式,说明药剂燃烧气体量与热量均能产生声辐射,通过对比两种药剂产生的声压级数值,得到借助热效应产生的声压仅是气泡型声压的25.14%,因此,烟火型声源药剂燃烧产生气泡声较热声效果好。
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