水下強聲源的定向輻射仿真

陳宏++曾躍勝

摘 要主要研究基于“液電效應”的水下等離子體強聲脈沖產生及定向輻射技術的機理和方法，采用ANSYS軟件建模并進行了仿真計算，結果符合預期要求。

【關鍵詞】液電效應 等離子體聲源 ANSYS 仿真

1 概述

等離子體聲源是一種重要的水下強聲源，能夠產生比傳統換能器高得多的脈沖聲壓級，且具有體積小、頻帶寬、發射模式可控等特點。目前已在海底地質勘探、污水處理、體外沖擊波碎石、管道解堵、水下目標探測、水下防御等諸多領域得到了廣泛應用。國內外諸多機構和單位開展了多電極等離子體陣列系統和單電極等離子體聲源系統研究。多電極陣列電暈放電等離子體聲源的優點是波形穩定，重復性好，但是聲源級偏低。單電極等離子體聲源通過橢球面聚焦可以在近距離固定焦點上獲得非常高的聲壓，但過了焦點之后會加速擴散，不能用于遠距離傳播。本文側重于研究基于單電極等離子體聲源配合旋轉拋物面，適合于遠距離傳播的強聲定向發射機理和方法。

2 基本原理

采用旋轉拋物面反射聚束技術來形成方向性尖銳的高強度聲束，使發散的強聲波沿著特定方向傳播，以實現水下等離子體強聲源的遠距離定向輻射。對于旋轉拋物面反射罩，將脈沖聲源置于旋轉拋物面的焦點處，部分聲波能量以球面擴散形式向外傳播，另一部分聲波能量經過反射罩反射后會形成以反射罩杯口大小的平面波向外傳播，如圖1所示。因此可在近區觀察到球面波形式的直達脈沖波前和平面波形式的反射脈沖波前，最終反射波相對直達波獲得了一定的聚束定向增益，定向增益與反射面口徑、形狀、材質等因素直接相關。

3 定向聲源建模與仿真

在ANSYS Workbench中對等離子體聲源反射定向輻射裝置進行簡化建模，仿真模型及近似擬合的激勵波形如圖2所示。

計算域聲傳播環境定義為水，密度設置為1000kg/m3，聲速為1473m/s，參考聲壓設置為1μPa。金屬反射面通過拋物線方程進行母線繪制，反射面材料密度設置為7980kg/m3，聲速為5664m/s。金屬反射面與水的聲結構耦合通過設置FSI（Fluid-Structure Interaction）實現，計算域外表面設置為聲輻射邊界或吸收邊界，并根據實際情況設定靜水壓力。

仿真得到定向聲波傳播時間歷程如圖3所示。

對于旋轉拋物面反射罩，將脈沖聲源置于旋轉拋物面的焦點處，部分聲波能量以球面擴散形式向外傳播，另一部分聲波能量經過反射罩反射后會形成以反射罩杯口大小的平面波向外傳播。因此可在近區觀察到球面波形式的直達脈沖波前和平面波形式的反射脈沖波前，最終反射波相對直達波獲得了一定的聚束定向增益，定向增益與反射面口徑、形狀、材質等因素直接相關。

根據仿真結果分析可知，定向聲源軸線前方觀察點處直達波聲壓為50kPa，反射波聲壓為360kPa，反射脈沖幅度是直達脈沖幅度的7.2倍，對應定向增益為17.1dB。

4 原理驗證

為驗證定向發射基本原理，構建了模型樣件和測量水池，開展了水下等離子體聲源的電聲轉換及定向輻射的等效原理驗證。水池尺寸為4m×2.5m×1m，因未敷設消聲材料，水池邊界存在一定反射，但水下強聲源脈沖持續時間僅數十微秒，幾乎可以忽略池壁、水面等反射對直達信號測量帶來的影響。采用型號為BK8104的標準水聽器作為接收傳感單元，其在0.1Hz～120 kHz范圍內的接收靈敏度近似?205dB（以1V/μPa為參考）。

為檢測輻射聲源級，將標準水聽器放置于輻射聲源正前方采集到的樣件單元脈沖波形如圖4所示。

采集波形表明，經過反射面定向后的反射波相對直達波滯后93μs，折算對應焦距為70mm，同時反射波是直達波幅度的6倍，對應定向增益為15.6dB。定向增益比仿真結果略低，分析原因主要是仿真計算時采用了較為理想的聲反射材料不銹鋼，而等效原理驗證中采用的是聲反射系數相對較低的鋁合金材料。另外，水下等離子體聲饋源實際位置不一定正好處于反射面焦點位置，毫米級的偏焦也會造成定向增益的降低。

5 結束語

本文通過介紹水下等離子體聲源的基本原理和產生方式，并結合水下等離子體聲源的特點，分析了聲源定向技術機理，給出了水下聲源定向輻射的ANSYS仿真過程和結果。

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作者單位

電子信息控制重點實驗室 四川省成都市 610036