水下离子体声研究的设计

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1、水下离子体声研究的设计水卜-等离子休放电技术在20世纪50年代被前苏联家yutkin等人所关注，目前已在工业、科学、医学、军事等诸多方面得到了广泛应用，如海底地质勘探、污水处理、体外冲击波碎石、管道解堵、水下目标探测、水下防御［7,8］等。由于水下等离了体声源优势明显,它的瞬间发射声功率很大，声压级可达260db以上［9］,nJ通过反射聚焦技术形成具有高指向性的声脉冲压力波，來提高某指定方向上声脉冲的强度。为了进一步提高定向辐射声能,再将多个水下等离子体声源按一定规律排列,组成声脉冲聚朿阵列，在空间上进行叠加，使水下某一指定区域形成强度更高的声脉冲压力波［7,8］。利用具有

2、指向性的高强度声束来压制或毁伤水下目标,对于提高我国水下舰艇、潜艇防御具有重要的意义。本文屮分析了水卞筹离子体声源的基本原理、产生方式及水下等离子体声源的定向聚焦技术，详细研究了系统中各个部件的最优设计原则以及系统的参数配置方案。1水下等离子体声源简介1.1水下等离了体声源的基木原理水下等离了体声源利用液电效应产生巨大的水下强声冲击波。水下高压脉冲放电吋，加在放电电极Z间的高压使水介质被电离汽化，由丁•放电吋间极短仲s量级），放电电流很高（lka-100ka量级）［10］,使得放电通道内温度急剧升高，通道内气体受热体积膨胀。rfl于液体的不叮压缩性和惯性，在液体介质屮形成巨

3、人的冲击压力波［11］,实现了电能到机械能的快速转化，同吋伴随强烈的光辐射、声辐射［12］和电磁辐射等，整个过程的瞬态现象非常复杂贞瞬时发射声源级可以达到240db~260db［9］,形成水下等离了体强声脉冲源。1.2水下等离子体声源的产生方式选择不同的回路参数和放电电极，发生的放电方式也会有所不同，主要分为电弧放电和电晕放电两种方式［13］o水下电弧放电时，放电电极间形成了明显的等离了体通道,放电电极的间距一般都较小（mm量级），周

4、韦

5、水介质的电导率较小,一般用水作为放电介质，且放电电压较高时产生。而水下电晕放电的电极间距较大（cm量级），放电所需要的介质电导率相对于电

6、弧大许多，常釆用nacl溶液作为放电介质。在电晕放电吋，没有形成完全贯通的等离子体放电通道，在曲率半径很小的一个放电电极周围，会形成“树”一样的电晕区域。1.3水下等离了体声源的定向聚焦水下等离了体声源瞬间产生的声功率较人，电声转换效率较高，发射脉冲很窄,峰值能量较人，并可通过反射或声学透镜聚焦技术形成高指向性的声束⑼，可有效提高声脉冲在指定方向上的强度;为了进一步提高定向辐射声能，可利用多个等离了体发声单元组成相控阵列,即将单个声源通过聚焦反射罩聚焦Z后,再将多个声源在空间上按-•定的排列规则进行叠加,形成阵列⑻，通过声脉冲聚束技术在水卜•指定区域形成强度更大的脉冲压力波

7、。2水下等离子体声源的试验装置水下等离子体脉冲放电装置山控制器、高压发生器、储能电容、触发电路、触发电极、放电电极、刚性界面水箱和椭球反射罩等部分组成［13］,见图lo图1中高压发生电路由调压器、升压变压器及整流元件组成，它将交流低压升到所需高压,并整流成直流高压。大功率储能电容是整个声源的储能装置，起着储存、释放能量的作用。3系统部件的设计和系统参数的配置水下等离了体放电系统可分为4部分:高压生成系统、充电系统、放电系统和充放电控制系统。其屮放电电极的设计、触发电极的设计、储能电容的选择、充放电控制系统的设计以及椭球反射罩的设计属于水下放电系统的关键部件设计，述有其它辅助

8、部件，如水溶液的选择会对水下等离子体声源的产生和电声转换效率造成一定的影响。另外、水箱的设计、测量设备的选择与测量点的选择会对测量结果产生影响。3.1放电电极放电电极的功能是在瞬间高压作用下将电极间的水溶液击穿，在两极间形成等离子体通道，同时产生巨大的冲击波。根据放电方式的不同，该部件可分为电弧放电电极和电杲放电电极。针对电弧放电电极，根据电弧放电的产牛机理，当电极表面的电场强度超过每厘米几千伏的阈值时才能产生先导。因此,可以采用尖端•板或尖端•尖端电极，形成不均匀电场,以求获得必须的最大场强。放电发生时，在极煎的时间内（us量级）将冇巨大的电流（lka~100ka量级）通

9、过放电电极，使电极间的水溶液迅速电离，形成等离子体通道，等离子体通道内的温度可达2X104k~5X104k,压力可达lgpao这要求电极材料的熔点高、强度高、导电性能好、易于加工。常用的电极材料有紫铜、铜餌合金、银餌合金、石墨、黄铜和错镐铜等，一般选用铜钙合金，因为铜钙合金同时具备铜的高导电率、低损耗率和钙的高熔点等优点,且易于加工。放电电极间距的选择对于提高系统电声转换效率至关重要,间距为mm量级，放电电极间距可以通过实验的方法确定。在设计电极吋，还需注意放电触点的设计、材料的选择、绝缘层的设计等。对于电晕放电，