新型水下干擾聲源

江向東，唐建生，皇甫立

(水聲對抗技術重點實驗室，中國船舶工業集團公司船舶系統工程部，北京 100036)

0 引言

水聲對抗需要低能耗、長時效且頻率可控的聲源，傳統的基于換能器的水下聲源在能源供給方式、轉化效率等方面難以滿足需求。水中脈沖放電形成的等離子體通道對水介質產生壓縮性實現電能到機械能的高速轉化，因而產生聲波。等離子放電作為可以產生水下聲波的一種方式，已經在各領域得到了應用［1］，在水下聲源方面的應用主要是產生高能量的大功率聲源用于主動探測、硬對抗損傷等。這些聲源對放電頻率要求較低，放電間隔較長，或者只進行幾次放電即可。本文提出一種區別于目前大功率脈沖放電聲源的等離子放電，其頻率可控，從而能產生設計要求的窄帶頻率成分，且可以連續工作，可用于噪聲偽裝和干擾等，可用于大范圍的主動水聲干擾和假兵力模擬。

1 等離子放電機理

當液體負載中電極間隙的場強達到足夠量級時，水介質便發生離解和碰撞電離，從高壓電極向另一電極延伸出一些高電導率的須狀“引線”(亦稱“先導”)，即直徑為0.1～2 mm的電離發光通道。當引線之一到達另一電極時，便形成電涌式釋能的放電通道，擊穿過程結束，電弧或火花放電階段開始，高能密度(102～103)cm－3的通道充滿高溫(104～105K)等離子體。放電通道內的壓力也急劇升高(108～1010Pa)，并高速向外膨脹，形成超聲速的激波向外傳播，然后衰減成聲脈沖。放電結束后，等離子體放電通道成為氣泡，在其內依然很高的壓力作用下，以稍小于弧道的膨脹速度向外擴張，對周圍介質做功。

l)放電導線的產生

在高電壓作用下，水間隙的擊穿過程就是先導產生和發展的過程，這個過程與氣體擊穿相似。為了產生先導，電極表面電場強度必須超過每厘米幾十千伏的“閥”值。可以采用尖端—板或尖端—尖端電極，形成及不均勻的電場，以獲得必須的最大場強。尖端極性不一樣時，尖端和板間的先導發展形勢也不一樣。在正尖端情況下，由個別游離中心向尖端沖去的電子雪崩，為先導繼續增長選擇路徑;在負尖端情況下，電場把電子吹離尖端，尖端周圍產生負電荷，降低負極區的場強，使先導的形成變得困難。而落在電極絕緣上的正表面電荷，能使尖端到絕緣表面的方向上產生大的電場梯度，并在這個方向上形成先導。先導之一接通電極間隙，便完成了形成放電通道的過程。

2)熱力擊穿

在低電壓情況下，電極尖端的場強達不到形成先導臨界值。這時水的電導對放電的發生產生重要的影響。在這種情況下，加在電極上的電壓使液體介質中有傳導電流流過，這一電流雖然不大，但它能使電極附近的水受到加熱，并發生汽化。結果在電極間隙中形成氣體通道，沿著這個通道進一步形成放電通道，發展為間隙擊穿，導致電容器儲能向該放電通道釋放。

3)擊穿效應

通道擊穿后電容器貯能向液中放電通道釋放，放電電流達幾十千安至幾百千安，通道中形成電弧放電，溫度可高達10×103K。放電過程中通道的溫度變化不大，在放電接近完了時溫度下降。通道截面的增大和電弧放電電導率的某些增長，使通道電阻在開始擊穿階段迅速下降，到臨近放電終了時，由于電弧中等離子體冷卻和冷卻引起的去游離過程，通道電阻又增大。電弧高溫引起通道中壓力升高，而且隨即開始膨脹，在水中產生放電脈沖壓力波。

4)氣泡脈動

在放電的后階段，通道己形成氣泡，能量滲入終了后，通道形成的氣泡膨脹仍在繼續。脈動周期和氣泡最大半徑值決定于滲入通道的能量大小。氣泡的連續脈動伴隨著壓縮波和稀薄波的發射，在氣泡閉合時壓縮波發射，這時氣泡中壓力高，被壓縮的氣泡引起臨近液體層的凝縮。壓縮波象征同時具有相應的稀薄波，它在氣泡中的壓力低于液體靜壓力發射。氣泡壓力波的特性是上升和衰減按近似指數函數變化。

2 可控頻率脈沖放電聲源構成

根據實際需求，要求水下放電脈沖周期可控，且放電頻率最高可到100 Hz，并且再放電同時需不間斷連續充電。所設計的放電系統組成如圖1所示。

圖1 系統的組成框圖Fig.1 The system composition frame

其中，交流電源、升壓整流、晶閘管、高壓儲能電容器構建成了1套高壓脈沖電源。控制系統和觸發系統由單片機控制完成，通過單片機控制系統改變高壓脈沖電源的輸出進行水中放電

3 脈沖放電頻率可控設計

放電頻率改變是通過可變電阻的阻值來實現的，原理為:調節頻率按鈕電阻改變可變電阻的阻值，電阻改變導致其上電壓也隨著改變。該電壓經過控制電路分壓，將電壓控制在單片機AD口輸入電壓的動態范圍內。在AD口對模擬電壓進行采樣，形成單片機內部的數字信號，對該數字電壓信號進行比較計算，得到該輸入電壓對應的頻率值。單片機依據頻率值，在DA輸出端口輸出該頻率的脈沖序列信號，脈沖電壓信號經過放電頻率控制電壓耦合電路進行電壓比較和光電耦合后，得到無干擾的脈沖控制信號，輸出到晶閘管的控制輸入端，晶閘管的導通頻率由控制輸入端的脈沖信號序列來控制，導通的頻率與單片機產生的脈沖信號的重復頻率相同。充電回路中220V交流電壓整流成直流，以一定的充電時間對儲能電容器充電，要在單位時間內(1 s)完成多次放電，則必須在每2次放電間隔時間內完成對電容器的充電，因此，充電時間必須滿足小于觸發信號的低電平脈寬。

用晶閘管替代了以往的間隙點火開關，采用高壓晶閘管系統來做開關，其特點是能耐高壓、門極信號采用微機控制系統進行調頻。利用這種脈沖電源系統使水中脈沖放電能安全穩定運行，可實現放電周期的可控性。

通過設計與改造，最終達到所需要的實驗要求:

1)在調壓部分，實現了電壓的連續可調，完成電路電壓值在10 kV左右，并且能實現水中的重頻放電時的充電要求;

2)在調頻部分，實現了電路頻率的連續可調，放電頻率的調節范圍在10～200 Hz之間。

4 試驗以及數據處理

水中脈沖放電實驗有很多不確定的物理過程，在不同參數下的水中脈沖放電現象與測量結構都相差很大。因此，在進行水中脈沖放電的實驗研究中，測量與分析都是很重要的。因為水中脈沖放電伴隨很強的電磁輻射，對測量設備有很強大的干擾。在實驗室環境下，進行了不同頻率下的測試，實驗結果達到了設計預期。在改變頻率的情況下，利用傳感器測量所得水下脈沖信號如圖2～圖4所示。

本文將一般等離子體水中放電技術與可控導通頻率控制電路相結合，研制出一套以海水作為介質的連續等離子放電脈沖聲源。經過試驗測試，放電頻率的可控性和穩定性良好，該裝置經過進一步小型化后，可作于水干擾聲源等。

圖2 充電電壓波形Fig.2 The waveform of charging voltage

［1］秦曾衍，等，高壓強脈沖放電及其應用［M］.北京:北京工業大學出版社，2000.

［2］MARTIN E.A.Experiment investigation of a high-energy densty，high-pressure arc plasma［J］.J.Appl.Phys，1960，31(2):255－267.