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1、水下离子体声研究设计ok3m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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
