Научно-производственная фирма "ИМКАС"

5. Экспериментальные исследования глушителя звука выстрела

Ввиду большого разнообразия факторов, влияющих на процессы в глушителе, пока не удается достаточно точно и полно теоретически исследовать их характеристики. Поэтому всегда возникает необходимость в специальных экспериментальных исследованиях, позволяющих проверить выводы теории и накопить опытный материал для обоснованного решения ряда практических вопросов проектирования глушителя.

Можно выделить следующие основные виды экспериментов:

  • Эксперименты, проводимые при исследованиях параметров процессов, происходящих в глушителе, для разработки новых теоретических положений, разработки и совершенствования методик расчета характеристик процессов, происходящих в глушителе при выстреле;
  • Эксперименты, проводимые в процессе отработки конструкторских решений, принимаемых в процессе создания новой конструкции глушителя, т.е отработочные испытания;
  • Эксперименты по определению характеристик эффективности глушителя, проводимые при сертификации созданного образца вооружения.

Для сокращения количества испытаний, как правило, при создании новой конструкции отдельные результаты данного вида испытаний могут использоваться при испытаниях другого вида.

Зарубежные фирмы проводят обязательные испытания созданных глушителей с целью определения их характеристик – в первую очередь, эффективности снижения уровня звука выстрела. При испытаниях глушителей разных конструкций следуют правилу: одно оружие, один патрон, одинаковые условия внешней среды, одинаковая методика оценки результатов, одинаковая измерительная аппаратура, расположенная идентично.

Каждый глушитель может отличаться по эффективности в зависимости от конструкции, срока его эксплуатации, технического состояния, допусков (точности изготовления).

Основная характеристика глушителя – величина снижения уровня звука выстрела.

Прочность, масса, точность, габариты, вид присоединения, материально-техническое обеспечение поставщика не могут быть факторами, обеспечивающими выбор типа глушителя без учета этой основной характеристики [223].

Причем, «представители некоторых фирм опубликовали неправдивые данные об эффективности глушителей своей разработки, чтобы быть конкурентоспособными» [223].

Основной документ, используемый зарубежными компаниями при испытаниях глушителей на эффективность снижения уровня звука выстрела – MIL-STD-1474D, стандарт Армии США «Предельно допустимые уровни шума для материально-технического обеспечения Армии» [259] (В зависимости от года использования он имеет индексы «В», «С» или «Д»).

Он был разработан для оценки риска нарушения слуха на корабле, в самолете и в условиях местного шума и не предназначается для определения эффективности снижения уровня звука выстрела из стрелкового оружия и оценки его восприятия стрелком или наблюдателем. В [223] приведен ряд обстоятельств, из-за которых этот стандарт трудно использовать для определения слухового восприятия звука выстрела из стрелкового оружия.

Армия США подготовила доклад, в котором представлены результаты исследования «Шум оружия, воспринимаемый человеческим ухом, проанализированный на модели АНААН», в котором изложены результаты попыток сравнить данные, получаемые в соответствии со стандартом MIL-STD-1474D с фактической потерей слуха, показывающие, что этот стандарт дает погрешность около 38%. При оценке А-взвешенных результатов измерения энергии звука показано, что значения погрешности составляют 25%.

В докладе сделан вывод, что «в случае импульсов очень высокого уровня и при излучении энергии широкополосного низкочастотного звука ошибки при оценке А-взвешенной энергии были весьма велики» [219].

При использовании «А-взвешивания» реальная чувствительность уха не согласовывается во всем диапазоне звукового давления с полученными в результате измерений величинами. Наибольшее согласование реальной чувствительности уха с измеренными величинами находятся в диапазоне уровня звукового давления

40-50 дБ. Звуковое давление при выстреле подавляется, в основном в диапазоне от 165 до 140 дБ и в связи с этим для сравнения необходимо выбирать кривую чувствительности уха примерно для уровня звукового давления в 120 фон. (Уровень звукового давления 120 дБ при 1000 Гц).

Кривая в 40 фон (А-взвешивание) не подходит для случая измерения импульсного звука высокого (120-165 дБ) уровня. Она пригодна для измерений уровней звука, например, в офисе.

Рис. 5.1

Невзвешенные результаты измерений более близко аппроксимируют кривую эквивалентного уровня громкости (рис. 5.1, [223] зеленая кривая), чем А-взвешенная кривая. Применение А-взвешивания в Армии США объясняется желанием спрогнозировать риск нарушения слуха в широком диапазоне окружающих звуков, (преимущественно, – не при выстреле), а также тем, что «А-взвешивание» определено в стандарте.

По стандарту Армии США, определяющему риск нарушения слуха, измеряется пиковый шум и не учитывается общая мощность (интегральная) звука, что очень важно при измерении воздействия звуковой энергии на организм человека.

При проведении измерений по MIL-STD-1474D измеритель устанавливается на максимально возможный уровень звука и учитывает только максимум единичной волны самой большой амплитуды независимо от уровней звукового излучения в других областях спектра. Ни уровень, ни продолжительность звуков другого диапазона не влияют на результаты измерений, чего не должно быть.

При оценке восприятия выстрела необходимо учитывать не только уровень звукового давления, но и продолжительность действия звукового излучения. Например, импульс с уровнем звукового давления в 140 дБ продолжительностью10 микросекунд будет эквивалентен импульсу с уровнем звукового давления 137 дБ в течение 20 микросекунд.

Зарубежные фирмы предлагают альтернативу – использование стандарта ISO 532-B (ISO Standard 532. Acoustics. Method for Calculating Loudness Level – «Акустика. Метод расчета уровня громкости звука») [279].

Таким образом, стандарт Армии США [259], который разработчики и изготовители за рубежом используют для научных исследований и маркетинговых целей не подходит для оценки человеческого восприятия подавляемого звука выстрела, даже при условии его идеального применения.

«Устранение А-взвешивания и пикового детектирования напряжения и замена их более адекватной действительности кривой (С-взвешивание) и обеспечение более короткой постоянной времени улучшили бы оценку результатов испытаний, но лучшее решение – это создание стандарта, основанного на ISO 532-B и видоизмененного для учета комплексных характеристик импульсного звука при условии выбора идеальной постоянной времени» [223].
Несмотря на изложенные соображения, стандарт Армии США [259] продолжает широко использоваться компаниями-разработчиками глушителей всех стран мира. Информация об эффективности снижения уровня звука выстрела глушителями разработки различных фирм в настоящее время основывается на результатах, полученных в соответствии с MIL-STD-1474D при условии применения высокоточного, калиброванного и сертифицированного оборудования и невзвешенности результатов измерений.

В [280] изложены основные положения методики испытаний глушителя звука выстрела стрелкового оружия с целью определения его эффективности в соответствии с MIL-STD-1474D.

Испытывался глушитель для стрелкового оружия калибра 5,56 мм, он был установлен на карабине М16 с длиной ствола 279 мм при использовании патронов М193.

Уровни шума измерялись импульсными прецизионными шумомерами типа 2209 фирмы «Brul & Kjaer» с 1/4-дюймовым микрофоном типа 4136 той же фирмы.

Отличительной особенностью этого шумомера является широкий частотный и динамический диапазоны, возможность удерживания уровня сигнала, наличие корректирующих схем А, В, С, Д и Лин [281].

Он имеет инерционность в 20 микросекунд, что позволяет точно регистрировать очень кратковременные звуковые импульсы, в том числе – от выстрелов стрелкового оружия.

Микрофон для регистрации давления был ориентирован под углом 90° относительно траектории полета пули таким образом, что плоскость диафрагмы пересекалась с глушителем (или стволом). (Свободный микрофон типа 4135 фирмы «B & K» ориентирован под углом 0° к источнику звука, то есть – прямо на глушитель или дульный срез).

Фоновый микрофон 2530-1133 фирмы «Ларсон и Дэйвис» ориентирован под углом 80° к источнику звука.

Ось ствола оружия располагалась на высоте 1,6 м относительно уровня земли.

Датчик был тарирован непосредственно перед и после испытаний калибратором 4230 фирмы «B & K».

Эти процедуры в целом соответствовали методике NATO [AC/243(Panel 8/RSG.6)D/9] и методике, предусмотренной в стандарте MIL-STD-1474С.

При этих испытаниях микрофон размещался справа от стрелка, так как некоторые конструкции глушителей увеличивают обратную волну давления пороховых газов, при этом уровень звука, распространяющегося от экстракционного окна может превышать звук ударной волны, и может быть на 7,0 дБ выше при измерениях со стороны экстракционного окна.

Таким образом, расположение микрофона с правой стороны создает наихудшие условия для измерения, а левое расположение – наиболее благоприятные условия.

Для определения среднего уровня звукового давления выполнялось не менее 10 выстрелов.

Компания «Robert Silvers Precision» при испытаниях также оценивает технические характеристики глушителей в соответствии с MIL-STD-1474D [259,223].

При этом также используется импульсный высокоточный шумомер 2209 фирмы «B & K» и микрофон 40 ВР для измерения давления (эквивалентен модели 4136 фирмы «B & K»), устанавливаемый слева на расстоянии 1 м на уровне ствола и на высоте 1,6 метра относительно уровня земли.

Калибровка всей системы на каждом этапе испытаний проводилась с помощью поршневого акустического резонатора для проверки микрофонов модели 4220 фирмы «B & K».

Анализ звука был линейным с тем, чтобы обеспечить большую корреляцию уровня звука с ее восприятием органом слуха человека. При испытаниях выполнялось 10 одиночных выстрелов. Снижение уровня звука выстрела определялось как разница между уровнем звукового давления в дБ первого выстрела (без глушителя) и средним показателем в дБ оставшихся девяти выстрелов (с глушителем).

При обработке полученных результатов руководствовались следующими соображениями [223]: «термин «невзвешенный» хотя и не означает «несовершенный» имеет больше смысла для измерения человеческого восприятия шума выстрела, тогда как А-взвешивание было создано, чтобы привести слух человека к уровню восприятия в 40 дБ, а не 120-140, в котором мы заинтересованы».

В процессе испытаний было показано, что уровень звукового давления в дБ для одной и той же конструкции глушителя в зависимости от условий испытаний может колебаться в пределах 0,1-0,5 дБ, и если эффективность подавления звука выстрела для двух конструкций глушителей отличается на величину не более 2 дБ, то это различие при выборе типа глушителя может не приниматься во внимание.

На полигоне Joensuu (Финляндия) были проведены испытания эффективности глушителей «T4L1 Ranger Reflex» для штурмовой винтовки FN FAL L1A1 при использовании сверхзвукового патрона калибра .308 Win (начальная скорость пули примерно 700 м/с).

Результаты измерений представлены на рис. 5.2.

Рис. 5.2

Замеры уровня звука выстрела проводились на расстояниях от 2 до 128 метров от точки выстрела как при стрельбе с глушителем, так и без него под прямым углом и под углом 45° по отношению к фронтальной плоскости винтовки.

Наибольшие уровни звука выстрела наблюдались при стрельбе без глушителя при измерениях под углом 45° к направлению стрельбы.

Подавленные и неподавленные уровни звука в направлении стрельбы были довольно близки друг к другу по причине наличия скачка уплотнения при сверхзвуковом полете пули. По бокам уровни звука были существенно снижены. Из приведенных на рис. 5.2 результатов следует, что глушитель более эффективно снижает уровня звука в непосредственной близости от оружия, чем на расстоянии от него. Это объясняется тем, что высокие частоты в спектре звука выстрела имеют тенденцию к более раннему ослаблению в воздухе, чем низкие частоты. Высокие частоты также более эффективно ослабляются глушителем, чем колебания низких частот звука выстрела, которые распространяются на большое расстояние.

Была снята диаграмма направленности распространения звука в окружающем пространстве при стрельбе сверхзвуковым патроном без глушителя, с глушителем и дозвуковым патроном с глушителем (рис. 5.3) [223].

Рис. 5.3

Из нее следует, что в направлении выстрела уровни звука практически равны при стрельбе сверхзвуковым патроном, как с глушителем, так и без него. В стороны и в направлении, противоположном полету пули, звук выстрела при стрельбе сверхзвуковыми патронами снижается до приемлемых уровней.

В случае использования дозвуковых боеприпасов глушитель существенно снижает уровня звука выстрела и в направлении стрельбы. Кривые на диаграмме несимметричны относительно направления стрельбы преимущественно в задней полусфере – уровни звука справа выше, чем слева, что объясняется особенностью течения газов при работе автоматики штурмовой винтовки.

Был измерен и проанализирован также спектр частот звукового излучения при выстреле, как с глушителем, так и без него. Результаты представлены на рис. 5.4.

Рис. 5.4

Из него видно, что максимальные уровни звука выстрела обычно находятся в диапазоне от 130 Гц до 3 кГц. Глушитель наиболее эффективно снижает самые неблагоприятные для человека уровни звука приведенного спектра излучения, являясь, таким образом эффективным средством борьбы с долговременным повреждением слуха.

На расстоянии 10 м в направлении полета пули и 2 м в сторону были получены результаты измерений уровня звука выстрела от времени, представлены на рис. 5.5.

Рис. 5.5

Из приведенных графиков следует, что глушитель эффективно снижает уровня звука выстрела, при стрельбе сверхзвуковым патроном, и что «Глушитель может быть использован для эффективной защиты слуха стреляющего, но не для того, чтобы скрыть факт звука выстрела из высокомощной винтовки» [223].

Были проведены испытания эффективности снижения уровня звука выстрела при стрельбе сверхзвуковыми патронами глушителями ASE Utra1, ASE Utra2, BR T8 Skout, Pottas, Sako. Результаты этих испытаний приведены на рис. 5.6.

Самыми эффективными глушителями оказались «ASE Utra» и «BR-Toute T8 Scout» которые снижают уровень звука выстрела ниже 140 дБ.

Рис. 5.6

Уровни звуков выстрелов без глушителя (две гистограммы справа) превышают порог повреждения слуха в 140 дБ даже в точке, находящейся на расстоянии 10 метров сбоку и достигают 158 дБ на позиции стрелка.

Из приведенных результатов следует, что энергия звука, непогашенная глушителем, может быть направлена по-разному в зависимости от конструкции глушителя. Если спроектированная и оптимизированная конструкция обеспечивает хорошее затухание звука в точке стрельбы, то оставшаяся звуковая энергии излучается в направлении стрельбы и в стороны, если же обеспечено хорошее затухание звуковой энергии в направлении стрельбы и по бокам, то не исключено, что больше звуковой энергии будет направлено в сторону стрелка.
Существенна проблема изменения кучности стрельбы из штатного оружия, оснащенного глушителем. На полигоне Lapua (Финляндия) были проведены испытания по определению воздействия глушителей разных конструкций на смещение центра группы попадания при стрельбе сверхзвуковым патроном из винтовки «Sako Valmet/M62».

Общий вид стенда для испытаний и установки измерительной аппаратуры представлены на рис. 5.7, рис. 5.8. Измерения звуковых характеристик проводились в точке на расстоянии 10 м справа от огнестрельного оружия. Уровень звука выстрела измерялся также рядом с ухом стрелка.

Рис. 5.7

Рис.5.8

Рис. 5.9

На расстоянии 90 метров диаметр группы кучности боя при стрельбе с пристрелочного станка пятью выстрелами без глушителя составил 83 мм, а с глушителем – 74,8 мм. Были протестированы глушители пяти различных конструкций.

С целью определения влияния глушителя определенной массы были проведены испытания серией по пять выстрелов для каждого типа глушителя. Выяснилось, что они смещают точку попадания. Величины смещения примерно пропорциональны массе и расположению центра масс устройства, прикрепленного к срезу ствола (рис. 5.9).

Дополнительная масса на стволе сдвигает месторасположение центра группы попадания для М62 и семейства автоматов Калашникова на расстоянии 100 м на величину 10-18 см вправо и вверх. Это смещение можно откорректировать настройкой прицела.

При этих испытаниях был также отмечен эффект, наблюдаемый в период отработки конструкции глушителя, изготовленных в ИТМ НАНУ и НКАУ, а именно, при использовании глушителей к автоматам Калашникова они имеют тенденцию выбрасывать пороховые газы и дым в сторону лица и глаз стреляющего через узкую щель в верхней части крышки затвора с тыльной стороны крышки, что устраняется подбором газодинамического сопротивления глушителя.

При этом наблюдается эффект инжекции в глушителе (рис. 5.10) – истекающие из глушителя газы сформированы до состояния потока охлажденных пороховых газов в направлении стрельбы.

Рис. 5.10

Было испытано также влияние наличия жидкости или консистентной смазки в полости глушителя [282] («мокрое» глушение). Результаты испытаний показали, что эффективность подавления уровня звука первого выстрела при этом возрастает примерно на 19 дБ и эффект длится на протяжении 20-60 выстрелов (в зависимости от наполнителя, типа оружия и глушителя).

Представляют интерес результаты измерений, проведенных при испытаниях глушителей для автоматов 1997 году в Lapua (Финляндия) (см. таблицу 5.1) [229].

Таблица 5.1

№ п/п

Оружие

Длина ствола (мм)

Глушитель

Боеприпас

Скорость на срезе ствола (м/с)

Датчик №1 стрелок (dB)

Датчик №2 1 м сбоку (dB)

Датчик №3 10 м сбоку (dB)

Затухание стрелок/1м сбоку/10м сбоку (dB)

1

АК-47

414

7,62 HV

701

159

163

141

 

2

АК-47

414

7,62 SS

298

159

158

136

 

3

АК-47

414

ПБС-1

7,62 SS

296

139

138

116

20/20/20

4

АК-47

414

ПБС-1

Sako SS

331

137

136

117

 

5

M16A1

508

.223HV

874

155

163

141

 

6

M16A1

508

BR-Tuote T8AR

.223HV

868

131

143

121

24/20/20

7

SAR 80

459

.2ч23HV

907

156

163

141

 

8

SAR 80

459

LEI Universal

.223HV

906

134

126

109

22/37/32

 

Высокую эффективность при измерении уровня звука выстрела на расстоянии 1 м сбоку от стрелка показал глушитель «LEI Universal» – 37 дБ.

На полигоне Маттисуо (г. Ваммала, Финляндия) 10.12.2007 были проведены испытания на эффективность снижения уровня звука выстрела ряда образцов ручного огнестрельного оружия, в том числе – штурмовых винтовок Colt AR-16A2 HBAR Match с различными типами глушителей. Условия испытаний были следующие:

  • время – 9 ч 15 мин; 10.12.2007;
  • температура – +1,3°С с повышением до +6°С в течение испытаний;
  • относительная влажность воздуха – 80,5%;
  • давление – 990 hPa;
  • – скорость ветра – 1,0 м/с с правой стороны по всему полигону.

Результаты проведенных испытаний приведены в таблице 5.2.

Таблица 5.2

 

Анализ условий испытаний и полученных результатов позволяет сделать следующие выводы.

При испытаниях использовалась методика согласно стандарту Армии США MIL-STD-147D [259]. Оценивались и сравнивались пиковые значения уровней звука выстрела оружия без глушителя и с глушителем.

В каждой испытательной серии было выполнено по 10 выстрелов.

Использовалась традиционная измерительная аппаратура (импульсный высокоточный шумомер фирмы B&K 2209, микрофон типа 4136).

Эффективность снижения уровня звука выстрела при стрельбе сверхзвуковым патроном из Colt AR-16A2 HBAR Match глушителями различных фирм составила 29-36 дБ.

Диаметр всех испытанных глушителей был одинаков (~40 мм), а длина изменялась, изменялся соответственно, и внутренний объем глушителя.

Эффективность снижения уровня звука выстрела в использованном диапазоне их внутреннего объема (длины при фиксированном диаметре) практически линейно увеличивается с увеличением внутреннего объема.

Полученные результаты испытаний позволили сделать ряд выводов:

Все глушители снизили воздействие звука выстрела на стрелка с уровня 160±3 дБ (без глушителя) до величины ниже опасного ограничения, установленного в ЕС в 140 дБ для пикового значения.

Независимо от того, где находится наблюдатель – в точках 2 м сбоку или сзади, снижение уровня звука выстрела одинаково эффективно.

Различие в эффективности глушителей разных конструкций (фирм) достаточно мало.

Глушители снижают энергию отдачи от 20 до 30 процентов, кроме этого, они предотвращают вскидывание конца ствола штурмовой винтовки при ведении автоматического огня или продолжительного беглого огня.

Шум баллистического (звукового удара), или «треска» пролетающей пули – неизбежная проблема, если скорость пули выше скорости звука в воздухе (М 1,0 от 310 до 350 м/с).

Никакой глушитель при этом не способен предотвратить (заглушить) звук от полета пули. Диаметр, длина и форма пули в малой степени влияют на величину шума ее полета. Баллистический шум не воздействует на стрелка.

Уровень звука, воздействующего на окружающую среду, затухает почти одинаково для тыльного и бокового секторов. Фронтальный сектор находится под доминированием баллистического шума от сверхзвукового полета пули, на который глушители не воздействуют.

Глушитель не оказывает негативного воздействия на точность стрельбы. Более того, статистически средний диаметр группы попадания штурмовой винтовки даже несколько меньше по сравнению с диаметром группы, полученным при стрельбе без глушителя.

В случае установки глушителя на конец ствола центр группы попаданий обычно смещается на несколько сантиметров от точки прицеливания на расстоянии стрельбы в 100 метров. Причиной такого смещения является изменение частоты и/или амплитуды вибраций ствола.