SE510054C2

SE510054C2 - Device and method for affecting an object by means of pressure waves

Info

Publication number: SE510054C2
Application number: SE9702940A
Authority: SE
Inventors: Curt Larsson
Original assignee: Foersvarets Forskningsanstalt
Priority date: 1997-08-14
Filing date: 1997-08-14
Publication date: 1999-04-12
Also published as: WO1999009355A1; SE9702940L; SE9702940D0

Abstract

Device and method for affecting an object by means of pressure waves, where the pressure waves are generated by fuel being introduced to and ignited in a cylindrical combustion chamber (2), which have a closed rear end (3) and an open front end (4). A rapidly rotating vortex ring (11) is created when a pressure wave (16), generated at an ignition, forces the gas enclosed in the combustion chamber (2) out through the opening (10) of a ring-shaped flange (9), which has an internal diameter that is smaller than the inside diameter of the combustion chamber and which is arranged at the front end (4) of the combustion chamber. The vortex ring (11) moves forwards in the longitudinal direction of the combustion chamber and causes an impact on an object which is hit by it.

Description

510 054 10 15 20 25 30 35 Uppﬁnningen bygger på en teknik att alstra kraftiga ljudvågor genom antändning av en explosiv gasblandning i en cylindnsk brännkammare. Denna teknik är förut känd genom patentskriften US 4 642 611 A. Bränsle sprutas in i brännkammarens bakre del där det blandas med luft, varvid en explosiv gasblandning bildas. Den explosion som uppstår när gasblandningen antänds skapar en kraftig ljudvåg som fortplantar sig ut genom den öppna framänden hos brännkammaren. Det nya hos uppﬁnning- en är att en ríngformad fläns vars öppningsdiameter är mindre än brännkammarens innerdiameter anordnas vid brännkammarens utloppsöppning. När tryckvågen från en explosion pressar uti brännkammaren innesluten gas genom flänsöppningen uppkommer en snabbt roterande gasring med högt energiinnehåll, en så kallad vortexring. Den snabba rotationen hos vortexringen gör denna till en "akustisk pro- jektil" som väl sammanhållen rusar rakt fram genom luften i brännkammarens längdriktning med en hastighet av ca 40-60 m/s. Genom upprepade explosioner med en frekvens under 20 Hz åstadkoms en serie tryckpulser i form av vortexringar som då de träffar ett objekt ger upphov till effekter motsvarande de som orsakas av kraftigt infraljud. De utsända vortexringama kan sägas utgöra ett pseudo-infraljud och kan exempelvis användas för att skingra blockerande folkmassor och därige- nom skapa fri väg för transporter. Uppﬁnningen kan även användas i samband med minröjning för att utlösa tryckkänsliga minor. 510 054 10 15 20 25 30 35 The invention is based on a technology to generate powerful sound waves by igniting an explosive gas mixture in a cylindrical combustion chamber. This technique is previously known by U.S. Patent No. 4,642,611 A. Fuel is injected into the rear of the combustion chamber part where it is mixed with air, whereby an explosive gas mixture is formed. The explosion which occurs when the gas mixture ignites creates a powerful sound wave that propagates out through the open front end of the combustion chamber. The newness of the one is that a ring-shaped flange whose opening diameter is smaller than that of the combustion chamber inner diameter is arranged at the outlet opening of the combustion chamber. When the pressure wave from an explosion forces gas trapped inside the combustion chamber through the flange opening a rapidly rotating gas ring with a high energy content, a so-called vortex ring. The rapid rotation of the vortex ring makes it an "acoustic pro- jektil "which, well cohesive, rushes straight through the air in the combustion chamber longitudinal direction at a speed of about 40-60 m / s. Through repeated explosions with a frequency below 20 Hz, a series of pressure pulses are produced in the form of vortex rings which when they hit an object gives rise to effects corresponding to those caused by loud infrasound. The emitted vortex rings can be said to constitute a pseudo-infrasound and can be used, for example, to disperse blocking crowds and thereby create a free path for transport. The invention can also be used in connection with mine clearance to trigger pressure-sensitive mines.

Uppﬁnningen kommeri det följande att närmare beskrivas genom utföringsexempel med hänvisning till bifogade ritningsﬁgurer, där ﬁg. 1 visar i en sidovy en första utföringsform av en anordning enligt uppﬁnningen. ﬁg. 2 visar ett snitt A-A enligt ﬁgur 1, ﬁg. 3 visar ett snitt B-B enligt figur 1 ﬁg. 4a-e visar hur en vortexring bildas hos en anordning enligt uppﬁnningen och ﬁg. 5 visar i en tvärsnittsvy en andra utföringsfomt av en anordning enligt uppﬁnningen.The invention will be described in more detail below by means of exemplary embodiments with reference to the accompanying drawings, where ﬁ g. 1 shows in a side view a first embodiment of a device according to recovery. ﬁ g. 2 shows a section A-A according to Figure 1, ﬁ g. 3 shows a section B-B according to figure 1 ﬁ g. 4a-e show how a vortex ring is formed in a device according to the invention and ﬁ g. 5 shows in a cross-sectional view a second embodiment of a device according to recovery.

Den i ﬁgur 1 visade anordningen 1 innefattar en cylindrisk brännkammare 2 som har en bakre tillsluten ände 3 och en främre öppen ände 4. Vid den bakre delen av brännkammaren 2 är en elektrisk tändare 5 anordnad, vilken via en ledning 6a,6b är förbunden med en strömkälla. Tändaren 5 innefattar två elektroder 13a,13b, se ﬁ- gur 3, som från varsitt håll sträcker sig in i brännkammaren 2. Elektrodema 13a,13b är anordnade på ett sådant sätt att ett gap 15 bildas mellan deras ändar i centrum 10 15 20 25 30 35 5113' D54 av brännkammaren 2. En anordning 7 för styrd insprutning av bränsle är likaså an- ordnad vid den bakre delen av brännkammaren 2. Den bakre delen av brännkam- maren 2 kan även förses med en anordning för tillförsel av tryckluft för att under- lätta bildandet av en explosiv bränsle-luft blandning i brännkammaren. l det visade utföringsexemplet är den bakre delen av brännkammaren 2 försedd med två munstycken 14a,14b, se figur 3. Genom det ena munstycket 14a tillförs bränsle från en bränslekälla via en bränsleledning 8a. Bränslet kan exempelvis ut- göras av propangas. Genom det andra munstycket 14b tillförs tryckluft från en tryckluftskälla via en tryckluftsledning 8b. Tillförseln av bränsle och tryckluft kan ex- empelvis kontrolleras med hjälp av elektriskt styrda magnetventiler anordnade i an- slutning till respektive munstycke 14a,14b.The device 1 shown in Figure 1 comprises a cylindrical combustion chamber 2 which has a rear closed end 3 and a front open end 4. At the rear part of the combustion chamber 2 is provided with an electric lighter 5, which via a line 6a, 6b is connected to a power source. The lighter 5 comprises two electrodes 13a, 13b, see gur 3, which from each direction extends into the combustion chamber 2. The electrodes 13a, 13b are arranged in such a way that a gap 15 is formed between their ends in the center 10 15 20 25 30 35 5113 'D54 of the combustion chamber 2. A device 7 for controlled injection of fuel is also used. arranged at the rear of the combustion chamber 2. The rear of the combustion chamber maren 2 can also be provided with a device for supplying compressed air to facilitate the formation of an explosive fuel-air mixture in the combustion chamber. In the embodiment shown, the rear part of the combustion chamber 2 is provided with two nozzles 14a, 14b, see figure 3. Through one nozzle 14a is supplied fuel from a fuel source via a fuel line 8a. The fuel can, for example, made of propane gas. Through the second nozzle 14b, compressed air is supplied from one compressed air source via a compressed air line 8b. The supply of fuel and compressed air can for example, are controlled by means of electrically controlled solenoid valves arranged in closure to respective nozzles 14a, 14b.

Vid brännkammarens främre ände 4 är en ﬂäns 9 infâst. Flänsen 9 är ringformad och har en inre diameter som är mindre än brännkammarens innerdiameter. Flän- sen 9 bildar således en förträngd öppning 10 hos brännkammaren 2.At the front end 4 of the combustion chamber, an ﬂ end 9 is attached. The flange 9 is annular and has an inner diameter that is smaller than the inner diameter of the combustion chamber. Flän- the sen 9 thus forms a narrowed opening 10 of the combustion chamber 2.

Vid aktivering av anordningen 1 sprutas bränsle och tryckluft via munstyckena 14a,14b in i brännkammaren 2, där det blandas till bildande av en explosiv gas- blandning. Tändaren 5 påförs därefter elektrisk ström från en strömkälla, varvid en elektrisk gnista uppstår l gapet 15 mellan tändarens bägge elektroder 13a,13b.When activating the device 1, fuel and compressed air are sprayed via the nozzles 14a, 14b into the combustion chamber 2, where it mixes to form an explosive gas. mixture. The igniter 5 is then applied to electric current from a power source, one electric spark occurs in the gap 15 between the two electrodes 13a, 13b of the lighter.

Gnistan antänder gasblandningen, varvid en explosion uppstår. Tryckvågen 16 från explosionen pressar de icke-förbrända gasrestema i brännkammaren 2 framåt mot brännkammarens öppna ände 4. När den i brännkammaren 2 inneslutna gasen av tryckvågen 16 med hög hastighet pressas ut genom ﬂänsöppningen 10 uppstår en virvelring 11, en så kallad vortexring, vid öppningens utsida. Denna vortexring 11 utgör ett snabbt snurrande energipaket som med hög hastighet rör sig rakt framåt i brännkammarens längdriktning, såsom markerats med pilen 12 i ﬁgur 1.The spark ignites the gas mixture, causing an explosion. Pressure wave 16 from the explosion pushes the unburned gas residues in the combustion chamber 2 forward the open end of the combustion chamber 4. When the gas enclosed in the combustion chamber 2 is off the high-speed pressure wave 16 is forced out through the opening 10 vortex ring 11, a so-called vortex ring, at the outside of the opening. This vortex ring 11 is a fast spinning energy package that moves straight ahead at high speed the longitudinal direction of the combustion chamber, as marked by the arrow 12 in Figure 1.

Figur 4a-e illustrerar förloppet vid bildandet av en vortexring. I figur 4a har tryckvå- gen 16 från en explosion precis nått brännkammarens väggar. Figur 4b-c visar hur tryckvågen 16 utbreder sig och pressar den i brännkammaren 2 inneslutna gasen framåt och ut genom ﬂänsöppningen 10. Figur 4d visar hur en vortexring 11 uppstår vid öppningens utsida och ﬁgur 4e visar hur trycket i brännkammaren 2 minskar för att sedan återgå till normaltryck samtidigt som vortexringen 11 under fortsatt rota- tion rör sig framåt genom luften. 510 054 10 15 20 25 30 35 4 Genom upprepad inspmtning och antändning av bränsle bildas nya vortexringar 11 som efter varandra i en tät stråle rusar framåt genom luften i brännkammarens längdriktning, När vortexringama 11 träffar ett objekt orsakar de tryckstötar hos detta. Om ett objekt träffas av vortexringar 11 som är periodiskt genererade med en frekvens under 20 Hz påverkas objektet på samma sätt som om det vore exponerat för ett kraftigt infraljudsfält. Det har visat sig att en frekvens på 6-7 stötar i sekunden (6-7 Hz) är lämplig för att åstadkomma yrsel och illamående hos människor som träffas av vortexringama.Figures 4a-e illustrate the process of forming a vortex ring. In Figure 4a, the pressure gene 16 from an explosion just reached the walls of the combustion chamber. Figure 4b-c shows how the pressure wave 16 propagates and presses the gas enclosed in the combustion chamber 2 forward and out through the ﬂ end opening 10. Figure 4d shows how a vortex ring 11 arises at the outside of the opening and 4 gur 4e shows how the pressure in the combustion chamber 2 decreases for to then return to normal pressure at the same time as the vortex ring 11 during continued rotation tion moves forward through the air. 510 054 10 15 20 25 30 35 4 Through repeated injection and ignition of fuel, new vortex rings 11 are formed which one after the other in a dense jet rushes forward through the air in the combustion chamber longitudinal direction, When the vortex rings 11 hit an object, they cause pressure shocks at this. If an object is hit by vortex rings 11 that are periodically generated with a frequency below 20 Hz, the object is affected in the same way as if it were exposed for a strong infrasound field. It has been shown that a frequency of 6-7 shocks per second (6-7 Hz) is suitable for causing dizziness and nausea in people who hit by the vortex rings.

Brännkammaren 2 utförs lämpligen med en innerdiameter på ca 20 cm och en inre längd av ca 50 cm. Den optimala diametem hos ﬂänsöppningen 10 beror av bränn- kammarens diameter samt trycket och längden hos explosionen. Det har visat sig att en flänsöppning 10 med en diameter som är ungefär hälften så stor som bränn- kammarens innerdiameter kan vara lämplig. Ju högre trycket är hos explosionen desto större flänsöppning 10 krävs för att en vortexring 11 ska kunna bildas.The combustion chamber 2 is suitably made with an inner diameter of about 20 cm and an inner one length of about 50 cm. The optimum diameter of the aperture 10 depends on the combustion the diameter of the chamber as well as the pressure and length of the explosion. It has been shown that a flange opening 10 having a diameter about half as large as the combustion the inside diameter of the chamber may be suitable. The higher the pressure of the explosion the larger flange opening 10 is required for a vortex ring 11 to be formed.

För att en vortexring 11 ska kunna bildas är det dessutom viktigt att tryckvågen 16 från explosionen i brännkammaren 2 är stabil, dvs att den har skarp front och av- slut. För att få så god stabilitet som möjligt hos tryckvågen 16 bör den explosiva gasblandningen före antändningen vara väl samlad i ett området kring tändarens gap 15. För att underlätta detta kan brännkammaren 2 förses med en halvsfärisk vägg 17 vid sin bakre ände 3. Denna vägg 17 kan vara förskjutbart anordnad inuti brännkammaren, såsom visas i ﬁgur 5. Inställningen av väggens läge sker med hjälp av en gängad stång 18 som är vridbart infåsti väggen 17 och som löper ge- nom ett gängat hål 19 hos en bakre ändvägg 20 hos brännkammaren 2.In order for a vortex ring 11 to be able to form, it is also important that the pressure wave 16 from the explosion in the combustion chamber 2 is stable, ie that it has a sharp front and final. In order to obtain the best possible stability of the pressure wave 16, it should be explosive the gas mixture before ignition be well collected in an area around the igniter gap 15. To facilitate this, the combustion chamber 2 can be provided with a hemispherical wall 17 at its rear end 3. This wall 17 can be slidably arranged inside the combustion chamber, as shown in Figure 5. The position of the wall is set with by means of a threaded rod 18 which is rotatably attached to the wall 17 and which runs through a threaded hole 19 of a rear end wall 20 of the combustion chamber 2.

För att ytterligare bidra till att hålla den explosiva gasblandningen samlad i området kring tändarens gap 15, kan en ﬂäns 21 placeras inuti brännkammaren 2 framför tändaren 5. För att inte skapa turbulens hos tryckvågen bör denna ﬂäns 21 utfor- mas med en snedställd framkant 22. Flänsen 21 kan liksom den halvsfäriska väg- gen 17 vara förskjutbart anordnad inuti brännkammaren 2. inställningen av läget hos denna bakre ﬂäns 21 sker med hjälp av två gängade stänger 23a,23b som är vridbart infästa i ﬂänsen 21 och som löper genom gängade hål 24a,24b hos den ﬂäns 9 som är anordnad vid brännkammarens främre ände 4.To further help keep the explosive gas mixture concentrated in the area around the igniter gap 15, an end 21 can be placed inside the combustion chamber 2 in front igniter 5. In order not to create turbulence in the pressure wave, this ﬂ also 21 should be designed with a sloping leading edge 22. The flange 21, like the hemispherical guide gen 17 be slidably arranged inside the combustion chamber 2. the setting of the position at this rear end 21 is made by means of two threaded rods 23a, 23b which are rotatably attached to the shaft 21 and extending through threaded holes 24a, 24b of the ﬂ äns 9 which is arranged at the front end of the combustion chamber 4.

Genom justering av väggens och den bakre ﬂänsens lägen kan man variera voly- men hos det utrymme inom vilket gasblandningen hålls samlad före antändningen, 510 '054 för att därigenom åstadkomma optimala förhållanden anpassade till det bränsle som används.By adjusting the positions of the wall and the rear end, you can vary the volume. but in the space within which the gas mixture is kept collected before ignition, 510 '054 to thereby achieve optimal conditions adapted to that fuel used.

Med ovan beskrivna utföringsforrner erhålls en anordning som kan sända ut vortex- ringar med en effektiv räckvidd på ca 20 m. Genom att anordningen är relativt liten kan den enkelt monteras vid exempelvis ett fordon och användas mot människor som med sina kroppar försöker att hindra fordonet att ta sig fram.With the above-described embodiments, a device is obtained which can emit vortex rings with an effective range of about 20 m. Because the device is relatively small it can be easily mounted on, for example, a vehicle and used against people who with their bodies try to prevent the vehicle from getting around.

Claims

510 054 10 15 20 25 30 35 Patent claims:

Device for influencing an object by means of pressure waves, comprising a cylindrical combustion chamber (2), with a rear closed end (3) and a front open end (4), and a device (7) for controlled injection of fuel and a lighter (5) arranged at the rear part of the combustion chamber (2), characterized in that an annular flange (9) is arranged at the front end (4) of the combustion chamber, which flange (9) has an inner diameter which is smaller than that of the combustion chamber inner diameter and is so adapted that a vortex ring (11) is formed when a pressure wave (16), generated by the igniter (5) igniting fuel injected into the combustion chamber (2), presses trapped gas in the combustion chamber (2) out through the opening of the shaft ( 10).

Device according to claim 1, characterized in that the igniter (5) comprises two electrodes (13a, 13b) which extend into the combustion chamber (2) and are arranged such that there is a gap (15) between the two ends of the electrodes. , which gap (15) is located centrally in the combustion chamber (2).

Device according to claim 1 or 2, characterized in that a device (14b) for supplying air is arranged at the rear part of the combustion chamber (2).

Device according to claim 3, characterized in that the device for supplying air comprises one or more nozzles (14b) which are connected to a source of compressed air, and an electrically controlled valve arranged in connection with the respective nozzle (14b) for controlling the air supply.

Device according to one of Claims 1 to 4, characterized in that the device (7) for injecting fuel comprises one or more nozzles (14a) which are connected to a fuel source, and an electrically controlled valve arranged in connection to the respective nozzle (14a) to control the fuel injection.

Device according to one of Claims 1 to 5, characterized in that a second flange (21) is arranged inside the combustion chamber (2) between the lighter (5) and the (end (9) arranged at the front end (4) of the combustion chamber, which second flange (21) is intended to hold the explosive gas mixture that occurs when fuel is injected into the combustion chamber and mixed with air collected in an area around the lighter (5).

Device according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the combustion chamber (2) is provided with a hemispherical wall (17) at its rear end (3). 10 15 20 510 054

A method of influencing an object by means of pressure waves, wherein the pressure waves are generated by supplying and igniting fuel in a cylindrical combustion chamber (2), which has a rear closed end (3) and a front open end (4), k ä This is due to the fact that a rapidly rotating vortex ring (11) is formed by a pressure wave (16) generated by an ignition in the combustion chamber (2) enclosed by gas opening out through the opening (10) of an annular shaft (9) having an inner diameter which is smaller than the inner diameter of the combustion chamber and which is arranged at the front end (4) of the combustion chamber, which vortex ring (11) moves forward in the longitudinal direction of the combustion chamber and gives rise to an impact of an object hit by it.

Method according to claim 8, characterized in that the supply and ignition of fuel is repeated periodically a number of times with a frequency below 20 Hz so that a series of vortex rings (11) are formed, these when they hit an object giving rise to effects corresponding to those caused by loud infrasound.

Method according to claim 8 or 9, characterized in that the ignition of the fuel takes place by an electric spark being formed in a gap (15) located in the center of the combustion chamber between the ends of two electrodes (13a, 13b) extending into the combustion chamber (2). ), when the electrodes are supplied with an electric current.