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水下离子体声研究的设计
水下离子体声研究的设计 水下等离子体放电技术在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 水下等离子体声源优势明显,它的瞬间发射声功率很大,声压级可达260db以上[9], 可通过反射聚焦技术形成具有高指向性的声脉冲压力波,来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,组成声脉冲聚束阵列,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。本文中分析了水下等离 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水下等离子体声源的基本原理水下等离子体声源利用液电效应产 生巨大的水下强声冲击波。水下高压脉冲放电时,加在放电电极之间的高压使水 介质被电离汽化,由于放电时间极短(μs量级),放电电流很高(1ka~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。由于液体的不可压缩 性和惯性,在液体介质中形成巨大的冲击压力波[11],实现了电能到机械能的快速 转化,同时伴随强烈的光辐射、声辐射[12]和电磁辐射等,整个过程的瞬态现象非 常复杂,其瞬时发射声源级可以达到240db~260db[9],形成水下等离子体强声脉冲 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]。水下电 弧放电时,放电电极间形成了明显的等离子体通道,放电电极的间距一般都较小 (mm量级),周围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 于电弧大许多,常采用nacl溶液作为放电介质。在电晕放电时,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水下等离子体声源的定向聚焦水下等离子体声源瞬间产生的声功 率较大,电声转换效率较高,发射脉冲很窄,峰值能量较大,并可通过反射或声学透镜聚焦技术形成高指向性的声束[9],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,可利用多个等离子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之后,再将多个声源在空间上按一定的排列规则进行 叠加,形成阵列[8],通过声脉冲聚束技术在水下指定区域形成强度更大的脉冲压 力波。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由控制器、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1。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子体放电系统可分为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。其中放电电极的 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,还有其它辅助部件,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晕放电电极。针对电弧放电电极,根据电弧放电 的产生机理,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,在极短的时间内(μs量级)将有巨大的电流(1ka~100ka量级)通过放 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2×104k~5×104k,压力可达1gpa。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、铜钨合金、银钨合金、石墨、黄铜和 锘镐铜等,一般选用铜钨合金,因为铜钨合金同时具备铜的高导电率、低损耗率和 钨的高熔点等优点,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 时,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,电 极的几何结构起着重要作用。电晕放电时没有形成贯通的等离子体放电通道,放 电的电极间距远大于电弧放电的电极间距,一般为cm量级,电压较低时就能产生。
电晕放电的极性取决于具有小曲率半径的电极的极性,电极在设计时,一般可设计 为单极头电晕、多极头电晕或针阵列电晕。另外,当电弧放电电极间距增大至一 定程度时,放电形式转化为电晕放电。3.2触发开关高压触发开关在任何一个脉冲功率系统中,都占有重要的 地位。这是因为开关元件的技术参数和特性对系统的输出功率级、重复频率、脉 冲的上升时间、幅值等产生最直接、最敏感的影响。它在整个系统中,使储存在 电容器中的能量经触发开关击穿导通,对放电电极瞬间加上高压,目的是为了精确 地控制整个放电系统产生高压脉冲放电的时机。在水下等离子体声源产生装置中, 最常用的开关类型有:绝缘栅双极型晶体管、晶闸管、闸流管和火花隙开关等。
火花隙开关较为常用,它的电流上升速率超过1ka/s,关断时间短,击穿时延小,能承 受的峰值电压和电流超过mv和ma量级,脉冲重复率几百赫兹,且开关结构比较简 单。常用的三电极火花隙触发开关主要有两种:同轴触发结构和中间板触发极结 构,如图2所示。电极1、2为主电极,其间隙为主间隙,开关的电压就加在这对主电 极上。当控制电路产生触发脉冲后,开关在导通电压的作用下击穿。射聚焦,采用 不锈钢制成,内表面为椭球反射面。要求考虑加工形变和反射形变的作用,设计成 非标准型面。另外,在设计过程中,需要考虑多个声源聚焦(多个等离子体发声单元 组成相控阵列)时如何调整焦点,故可在椭球反射罩底部加凹面基座进行方向调节。
椭球反射罩聚焦原理如图3所示,图中a为伪椭球的长半轴、b为短半轴、c为半焦 距,h为椭球反射罩凹深、r为开口半径,f1为第1焦点,f2为第2焦点,f1、f2连线为椭 球反射罩的声轴,过f2垂直于声轴的平面称为聚焦平面。根据射线声学理论[9],将 脉冲声源(放电电极)放在椭球反射面的第1焦点f1上,声波经反射罩反射后将在另 一个焦点(f)处汇聚。
3.3储能电容储能电容是整个系统的储能机构,起着储存、释放能量的 作用。大功率脉冲电容器是充放电系统的主体部分,从外形上看,有圆柱形和长方 形的;外壳材料有铁制的、磁壳的、胶木的和混合式的。电压从几千伏到几十万 伏,电容量从几十微微法至几百微法,这里选用10-1~10n微法。另外,由于泄放的时 间很短(μs量级),能量又很大,会使故障电容器中的油迅速分解气化,在电容器中产 生很大的压力,从而可能造成爆炸的危险,通常采用串联吸能电阻的方法,作为电 容器的保护。在本系统中,储能器的作用是存储电源的能量,并在需要的时候在极 短的时间内释放出去,其工作条件十分苛刻。选择时要考虑:电容器电压、电容量、 电容器的寄生电感、电容器体积和重量、寿命等,结合系统一般选用容量大、耐 压高、损耗低、寄生感抗低的脉冲电容器。
3.4聚能反射罩水下等离子体声源发出的声脉冲压力波本身并没有指 向性,为了控制声源的发射指向性,提高指定传播方向的声强和系统的发射效率, 可通过反射或声学透镜聚焦技术形成高指向性的声脉冲压力波。聚能反射机构可以有很多种,如声透镜、反射曲面(椭球面、抛物面)等。一般利用椭球反射面进行 反 3.5充放电控制系统充放电控制系统的作用是使试验装置的各部分按 顺序动作。设计时应具备监控功能,即向储能电容进行充电过程中,可监控储能电 容两端电压的变化情况,避免过充或欠充。可远程设置、启动和控制高压触发系 统。由电压调节、高压开关、触发按钮、输出电流和电压显示等功能模块组成。
针对水下等离子体声源的需要,在设计时可将控制系统设计为几千伏至几十千伏 连续可调。
3.6高压发生器高压发生器的作用是把交流变换成直流高压输出。高 压发生器对储能电容的充电方式一般有两种:恒压充电和恒流充电。恒压充电方 式适用于功率较小、声脉冲重复频率低、对强声源体积和效率要求不严格的应用 领域,如实验室等。恒流充电方式适用于大功率、声脉冲重复频率高、对声源体 积和效率要求高的场合,如海洋电火花震源等。由于恒压充电方式和恒流充电方 式各具特色,在设计水下等离子体强声源时要根据应用场合、成本等因素做出合 理的选择。实验室中研究水下等离子体声源时,常采用恒压充电,故高压发生器由 调压器、升压变压器、高压整流硅堆组成。调压器输出电压必须与试验变压器原 边电压相配合,从尽可能小的数值到全电压都能平衡。选择整流元件时,元件的反 压uf要大于两倍电容电压,即uf2uc。
3.7水溶液水溶液为高压脉冲放电的介质,即水下脉冲放电环境。电弧 放电一般采用淡水介质作为放电介质,而电晕放电所需的介质电导率相对于电弧 大许多,常采用nacl溶液作为放电介质。在实验室研究环境中,应考虑储水容器的 水密性、耐压、抗混响特性等,根据情况具体设计。
3.8声压测量系统声压测量系统是将测量到的声脉冲的压力信号变换 成电荷信号,经合适的电荷放大器放大变换为电压信号后送入数据记录仪采集、 存储、显示。由压电式压力传感器、电荷放大器和数据采集仪所组成。瞬间冲击 波的压力可达103~104个大气压,电能直接转换成爆炸式的机械能,因此要选择的 压电式压力传感器为mpa级,如美国pcb公司的压力传感器。冲击电流一般采用电 流测量线圈或同轴分流器,冲击电压采用分压器来进行测量。
3.9系统电磁兼容性系统能够电磁兼容意味着无论是在系统内部,还是 对其所处的环境,系统都能如预期的那样工作,并且对其它设备的干扰较小。考虑 到水下等离子体声源的显着特点:高压大电流放电,且持续时间很短,产生的高电压大电流是μs量级变化的,会造成十分严重的电磁干扰和电磁辐射。水下等离子 体声源实验研究需要对装置各点电声参数进行监控测量,而电磁干扰直接影响了 测量精度,进而影响对装置放电规律的判断。在设计系统时,为了提高电磁兼容性, 一般采用接地技术和屏蔽技术。接地设计时,需要考虑电力系统、输变电设备、 电气设备、采集系统等的接地方式,不合理的接地反而会引入电磁干扰。水下等 离子体声源产生系统的屏蔽技术应根据电磁场特性、频率、屏蔽仓谐振、加工工 艺和费用等进行综合考虑。从屏蔽材料选择上,电场屏蔽需选用高电导率材料,磁 场屏蔽需要选用高磁导率材料,加工成密封的高压放电屏蔽仓。
4水下等离子体声源的发展前景 随着人类进一步向海洋领域活动的扩展,水下声源的应用范围会更加 广泛。在诸多不同方式产生的水下声源中,水下等离子体声源优势明显,如频谱范 围宽、脉冲持续时间短,用于水下探测分辨率高;瞬间发射声功率大,声源级可达 260db以上,并可通过反射聚焦技术形成指向性好的高强度声波,是一种具有良好 前景的大功率脉冲声源,为水下远程通信开辟了一条新的途径。在水下防御方面, 随着水下舰艇、潜艇和鱼雷技术的不断发展,结合水下等离子体声源的特点,将多 个经过聚能反射罩聚焦的等离子体声源按一定规律排列成阵列进行声脉冲聚束, 提高指定方向上的聚焦声脉冲压力,来压制鱼雷自导系统或舰艇声纳系统。大功 率声脉冲压力波以声速逼近来袭鱼雷,使得鱼雷很难规避,并可对鱼雷进行硬杀伤, 实现“拦截器”的功能,构成舰艇的水下近程防御屏障。水下等离子体声源的这一 特点将成为近海防御的有力措施,这种能量直接作用技术作为一种有效的硬杀伤 拦截武器可以大大提高舰艇防御能力。
5结束语 本文通过介绍水下等离子体声源的基本原理和产生方式,并结合水下 等离子体声源的特点,分析了声源定向聚焦技术,详细的给出了系统各部件的设计 原则和各个部件的参数配置。水下等离子体声源技术的不断发展将在海洋勘探、 水下远程通信、水下防御等诸多领域发挥出巨大的潜能
