水霧和霧狀油的消光性能

水霧和霧狀油的消光性能

1遮蔽性的應(yīng)用由于水霧和霧軸的雙重輻射，可以用來隱藏目標(biāo)的紅外輻射。通常霧狀油是通過向?qū)Ｓ玫陌l(fā)動機(jī)的熱排氣導(dǎo)入少量的重油使其汽化,重油蒸汽在大氣中冷凝的氣溶膠。由于具有分散性好、產(chǎn)生方便等優(yōu)點(diǎn),被廣泛用于一些重要的大型軍事或經(jīng)濟(jì)目標(biāo)的紅外遮蔽,如美軍的XM57和XM58多頻譜煙幕系統(tǒng)就是采用這種方法來產(chǎn)生遮蔽煙幕的。在《美陸軍煙幕使用規(guī)范》中還有專門的與霧狀油使用有關(guān)的規(guī)定。而水霧由于具有取材方便、價(jià)格低廉的特點(diǎn),特別適用于艦艇、船只和橋梁等的遮蔽。本文將在討論氣溶膠的消光理論的基礎(chǔ)上,重點(diǎn)對水霧和霧狀油的消光特性進(jìn)行計(jì)算,以定量地分析它們的紅外消光能力。2粒子尺度不均勻時氣溶膠密度的變化考慮一個厚度L的氣溶膠層,一平行輻射束照射并穿透之(如圖1),根據(jù)朗伯-比爾(Lambert-Beer)定理可知透射的輻射強(qiáng)度It=I0exp[∫L00Lβ(λ)dx](1)其中I0是入射輻射強(qiáng)度,β(λ)為消光系數(shù),當(dāng)粒子尺度不均勻時β(λ)=∫∞0Nσe(λ,r)n(r)dr(2)其中n(r)是粒子半徑r的分布函數(shù),N為氣溶膠粒子數(shù)密度,σe(λ,r)是指半徑為r的粒子在波長為λ處的消光截面,可以利用Mie散射理論求出。在研究物質(zhì)的紅外消光問題時,我們通常用單位體積內(nèi)單位質(zhì)量氣溶膠的消光系數(shù)βm(λ)(又稱質(zhì)量消光系數(shù))來度量其消光性能。對于由密度為ρ的物質(zhì)組成的氣溶膠而言,其質(zhì)量消光系數(shù)βm(λ)=∫∞0σe(λ,r)n(r)drρ∫∞0(4π/3)r3n(r)dr(3)βm(λ)=∫0∞σe(λ,r)n(r)drρ∫0∞(4π/3)r3n(r)dr(3)將式(2)、(3)帶入式(1)得It=I0exp[-∫L00LΜβm(λ)dx]其中M為單位體積的空間內(nèi)氣溶膠顆粒的總質(zhì)量?？梢?βm(λ)越大,要達(dá)到同樣的衰減效果所需氣溶膠的質(zhì)量越少。3粒徑分布函數(shù)nr對于水霧和霧狀油粒子,我們可認(rèn)為其為圓球。根據(jù)Mie散射理論,半徑為r、折射率為m=m1-im2的均勻圓球,對于波長為λ的入射電磁波,其消光截面為σe=2πκ2∑l=1∞(2l+1)(|αl|2)(|bl|2)σe=2πκ2∑l=1∞(2l+1)(|αl|2)(|bl|2)其中αl=[Al(mx)/m+l/x]Re[ζl(x)]?Re[ζl?1(x)][Al(mx)/m+l/x][ζl(x)]?[ζl?1(x)]αl=[Al(mx)/m+l/x]Re[ζl(x)]-Re[ζl-1(x)][Al(mx)/m+l/x][ζl(x)]-[ζl-1(x)]bl=[mAl(mx)+l/x]Re[ζl(x)]?Re[ζl?1(x)][mAl(mx)+l/x][ζl(x)]?[ζl?1(x)]bl=[mAl(mx)+l/x]Re[ζl(x)]-Re[ζl-1(x)][mAl(mx)+l/x][ζl(x)]-[ζl-1(x)]這里Re表示取實(shí)部,k=2πλ,x=krk=2πλ,x=kr而Al(y)=?1y+11y?Al?1(y)Al(y)=-1y+11y-Al-1(y)A0(y)=cosysinyA0(y)=cosysinyζl(x)=2l?1xζl?1(x)?ζl?2(x)ζl(x)=2l-1xζl-1(x)-ζl-2(x)ζ0(x)=sinx+icosxζ-1(x)=cosx-isinx對于粒徑分布函數(shù)n(r),我們通常認(rèn)為其服從對數(shù)正態(tài)分布,即n(r)=12πr√lnb0exp[?12(lnr?lnr0lnb0)2]n(r)=12πrlnb0exp[-12(lnr-lnr0lnb0)2]其中r0為幾何平均粒徑、b0為幾何平均標(biāo)準(zhǔn)差。利用以上公式,應(yīng)用Matlab語言進(jìn)行編程,計(jì)算了霧狀油和水霧在4μm和10.6μm處的質(zhì)量消光系數(shù)。4μm處于中紅外窗口的中間,其計(jì)算結(jié)果在中紅外窗口具有代表性;而10.6μm不僅在遠(yuǎn)紅外窗口具有代表性,而且是常用的激光波長。計(jì)算結(jié)果如下圖2~圖5。在計(jì)算時采用了以下參數(shù)(見表1):從圖2到圖5可以看出,對于這兩個波長,水霧和霧狀油氣溶膠的質(zhì)量消光系數(shù)每條曲線都具有一個峰值,且隨著幾何平均差b0的減小,峰值向r0增大的方向移動并增大。這表明在應(yīng)用水霧和霧狀油時,為獲得更好的消光特性,應(yīng)盡量使氣溶膠的粒徑趨于一致。對于同一粒徑均值、同一波長,霧狀油的質(zhì)量消光系數(shù)比水霧的大,特別是在10.6μm處前者達(dá)到后者的三倍以上。這表明霧狀油比水霧在這兩個波長處的紅外消光性能優(yōu)越。對于霧狀油和水霧本身,在10.6μm處的質(zhì)量消光系數(shù)均遠(yuǎn)小于在4μm處的值。其中霧狀油的質(zhì)量消光系數(shù)在10.6μm處的值比在4μm處減少了一半;而水霧的值則下降到1/5。這表明這兩種氣溶膠在遠(yuǎn)紅外波段的消光性能遠(yuǎn)不及中紅外波段。因此霧狀油和水霧氣溶膠多用于中紅外波段的紅外遮蔽。另外,即使在4μm處霧狀油的質(zhì)量消光系數(shù)也遠(yuǎn)小于在該點(diǎn)石墨氣溶膠的值(在該波長處,石墨氣溶膠的質(zhì)量消光系數(shù)約為3.2)。所以用霧狀油和水霧進(jìn)行紅外遮蔽時,要想達(dá)到好的遮蔽效果必須增大粒子密度,并加大氣溶膠的厚度。4原料和原料供應(yīng)溶劑外輻射受熱從上面的分析可以看出,在一定的粒徑分布下水霧和霧狀