江向東，唐建生，皇甫立

(水聲對抗技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司船舶系統(tǒng)工程部，北京 100036)

0 引言

水聲對抗需要低能耗、長時(shí)效且頻率可控的聲源，傳統(tǒng)的基于換能器的水下聲源在能源供給方式、轉(zhuǎn)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(zhì)產(chǎn)生壓縮性實(shí)現(xiàn)電能到機(jī)械能的高速轉(zhuǎn)化，因而產(chǎn)生聲波。等離子放電作為可以產(chǎn)生水下聲波的一種方式，已經(jīng)在各領(lǐng)域得到了應(yīng)用［1］，在水下聲源方面的應(yīng)用主要是產(chǎn)生高能量的大功率聲源用于主動(dòng)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(jìn)行幾次放電即可。本文提出一種區(qū)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(chǎn)生設(shè)計(jì)要求的窄帶頻率成分，且可以連續(xù)工作，可用于噪聲偽裝和干擾等，可用于大范圍的主動(dòng)水聲干擾和假兵力模擬。

1 等離子放電機(jī)理

當(dāng)液體負(fù)載中電極間隙的場強(qiáng)達(dá)到足夠量級時(shí)，水介質(zhì)便發(fā)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(dǎo)率的須狀“引線”(亦稱“先導(dǎo)”)，即直徑為0.1～2 mm的電離發(fā)光通道。當(dāng)引線之一到達(dá)另一電極時(shí)，便形成電涌式釋能的放電通道，擊穿過程結(jié)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(nèi)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(jié)束后，等離子體放電通道成為氣泡，在其內(nèi)依然很高的壓力作用下，以稍小于弧道的膨脹速度向外擴(kuò)張，對周圍介質(zhì)做功。

l)放電導(dǎo)線的產(chǎn)生

在高電壓作用下，水間隙的擊穿過程就是先導(dǎo)產(chǎn)生和發(fā)展的過程，這個(gè)過程與氣體擊穿相似。為了產(chǎn)生先導(dǎo)，電極表面電場強(qiáng)度必須超過每厘米幾十千伏的“閥”值?？梢圆捎眉舛恕寤蚣舛恕舛穗姌O，形成及不均勻的電場，以獲得必須的最大場強(qiáng)。尖端極性不一樣時(shí)，尖端和板間的先導(dǎo)發(fā)展形勢也不一樣。在正尖端情況下，由個(gè)別游離中心向尖端沖去的電子雪崩，為先導(dǎo)繼續(xù)增長選擇路徑;在負(fù)尖端情況下，電場把電子吹離尖端，尖端周圍產(chǎn)生負(fù)電荷，降低負(fù)極區(qū)的場強(qiáng)，使先導(dǎo)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(chǎn)生大的電場梯度，并在這個(gè)方向上形成先導(dǎo)。先導(dǎo)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(qiáng)達(dá)不到形成先導(dǎo)臨界值。這時(shí)水的電導(dǎo)對放電的發(fā)生產(chǎn)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(zhì)中有傳導(dǎo)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(fā)生汽化。結(jié)果在電極間隙中形成氣體通道，沿著這個(gè)通道進(jìn)一步形成放電通道，發(fā)展為間隙擊穿，導(dǎo)致電容器儲(chǔ)能向該放電通道釋放。

3)擊穿效應(yīng)

通道擊穿后電容器貯能向液中放電通道釋放，放電電流達(dá)幾十千安至幾百千安，通道中形成電弧放電，溫度可高達(dá)10×103K。放電過程中通道的溫度變化不大，在放電接近完了時(shí)溫度下降。通道截面的增大和電弧放電電導(dǎo)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(shí)，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(chǎn)生放電脈沖壓力波。

4)氣泡脈動(dòng)

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(xù)。脈動(dòng)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(xù)脈動(dòng)伴隨著壓縮波和稀薄波的發(fā)射，在氣泡閉合時(shí)壓縮波發(fā)射，這時(shí)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(shí)具有相應(yīng)的稀薄波，它在氣泡中的壓力低于液體靜壓力發(fā)射。氣泡壓力波的特性是上升和衰減按近似指數(shù)函數(shù)變化。

2 可控頻率脈沖放電聲源構(gòu)成

根據(jù)實(shí)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(shí)需不間斷連續(xù)充電。所設(shè)計(jì)的放電系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)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(chǔ)能電容器構(gòu)建成了1套高壓脈沖電源?？刂葡到y(tǒng)和觸發(fā)系統(tǒng)由單片機(jī)控制完成，通過單片機(jī)控制系統(tǒng)改變高壓脈沖電源的輸出進(jìn)行水中放電

3 脈沖放電頻率可控設(shè)計(jì)

放電頻率改變是通過可變電阻的阻值來實(shí)現(xiàn)的，原理為:調(diào)節(jié)頻率按鈕電阻改變可變電阻的阻值，電阻改變導(dǎo)致其上電壓也隨著改變。該電壓經(jīng)過控制電路分壓，將電壓控制在單片機(jī)AD口輸入電壓的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。在AD口對模擬電壓進(jìn)行采樣，形成單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)字信號(hào)，對該數(shù)字電壓信號(hào)進(jìn)行比較計(jì)算，得到該輸入電壓對應(yīng)的頻率值。單片機(jī)依據(jù)頻率值，在DA輸出端口輸出該頻率的脈沖序列信號(hào)，脈沖電壓信號(hào)經(jīng)過放電頻率控制電壓耦合電路進(jìn)行電壓比較和光電耦合后，得到無干擾的脈沖控制信號(hào)，輸出到晶閘管的控制輸入端，晶閘管的導(dǎo)通頻率由控制輸入端的脈沖信號(hào)序列來控制，導(dǎo)通的頻率與單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖信號(hào)的重復(fù)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(shí)間對儲(chǔ)能電容器充電，要在單位時(shí)間內(nèi)(1 s)完成多次放電，則必須在每2次放電間隔時(shí)間內(nèi)完成對電容器的充電，因此，充電時(shí)間必須滿足小于觸發(fā)信號(hào)的低電平脈寬。

用晶閘管替代了以往的間隙點(diǎn)火開關(guān)，采用高壓晶閘管系統(tǒng)來做開關(guān)，其特點(diǎn)是能耐高壓、門極信號(hào)采用微機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)頻。利用這種脈沖電源系統(tǒng)使水中脈沖放電能安全穩(wěn)定運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)放電周期的可控性。

通過設(shè)計(jì)與改造，最終達(dá)到所需要的實(shí)驗(yàn)要求:

1)在調(diào)壓部分，實(shí)現(xiàn)了電壓的連續(xù)可調(diào)，完成電路電壓值在10 kV左右，并且能實(shí)現(xiàn)水中的重頻放電時(shí)的充電要求;

2)在調(diào)頻部分，實(shí)現(xiàn)了電路頻率的連續(xù)可調(diào)，放電頻率的調(diào)節(jié)范圍在10～200 Hz之間。

4 試驗(yàn)以及數(shù)據(jù)處理

水中脈沖放電實(shí)驗(yàn)有很多不確定的物理過程，在不同參數(shù)下的水中脈沖放電現(xiàn)象與測量結(jié)構(gòu)都相差很大。因此，在進(jìn)行水中脈沖放電的實(shí)驗(yàn)研究中，測量與分析都是很重要的。因?yàn)樗忻}沖放電伴隨很強(qiáng)的電磁輻射，對測量設(shè)備有很強(qiáng)大的干擾。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，進(jìn)行了不同頻率下的測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)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(hào)如圖2～圖4所示。

本文將一般等離子體水中放電技術(shù)與可控導(dǎo)通頻率控制電路相結(jié)合，研制出一套以海水作為介質(zhì)的連續(xù)等離子放電脈沖聲源。經(jīng)過試驗(yàn)測試，放電頻率的可控性和穩(wěn)定性良好，該裝置經(jīng)過進(jìn)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(qiáng)脈沖放電及其應(yīng)用［M］.北京:北京工業(yè)大學(xué)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.