新型水下干扰声源

江向东，唐建生，皇甫立

(水声对抗技术重点实验室，中国船舶工业集团公司船舶系统工程部，北京 100036)

0 引言

水声对抗需要低能耗、长时效且频率可控的声源，传统的基于换能器的水下声源在能源供给方式、转化效率等方面难以满足需求。水中脉冲放电形成的等离子体通道对水介质产生压缩性实现电能到机械能的高速转化，因而产生声波。等离子放电作为可以产生水下声波的一种方式，已经在各领域得到了应用［1］，在水下声源方面的应用主要是产生高能量的大功率声源用于主动探测、硬对抗损伤等。这些声源对放电频率要求较低，放电间隔较长，或者只进行几次放电即可。本文提出一种区别于目前大功率脉冲放电声源的等离子放电，其频率可控，从而能产生设计要求的窄带频率成分，且可以连续工作，可用于噪声伪装和干扰等，可用于大范围的主动水声干扰和假兵力模拟。

1 等离子放电机理

当液体负载中电极间隙的场强达到足够量级时，水介质便发生离解和碰撞电离，从高压电极向另一电极延伸出一些高电导率的须状“引线”(亦称“先导”)，即直径为0.1～2 mm的电离发光通道。当引线之一到达另一电极时，便形成电涌式释能的放电通道，击穿过程结束，电弧或火花放电阶段开始，高能密度(102～103)cm－3的通道充满高温(104～105K)等离子体。放电通道内的压力也急剧升高(108～1010Pa)，并高速向外膨胀，形成超声速的激波向外传播，然后衰减成声脉冲。放电结束后，等离子体放电通道成为气泡，在其内依然很高的压力作用下，以稍小于弧道的膨胀速度向外扩张，对周围介质做功。

l)放电导线的产生

在高电压作用下，水间隙的击穿过程就是先导产生和发展的过程，这个过程与气体击穿相似。为了产生先导，电极表面电场强度必须超过每厘米几十千伏的“阀”值。可以采用尖端—板或尖端—尖端电极，形成及不均匀的电场，以获得必须的最大场强。尖端极性不一样时，尖端和板间的先导发展形势也不一样。在正尖端情况下，由个别游离中心向尖端冲去的电子雪崩，为先导继续增长选择路径;在负尖端情况下，电场把电子吹离尖端，尖端周围产生负电荷，降低负极区的场强，使先导的形成变得困难。而落在电极绝缘上的正表面电荷，能使尖端到绝缘表面的方向上产生大的电场梯度，并在这个方向上形成先导。先导之一接通电极间隙，便完成了形成放电通道的过程。

2)热力击穿

在低电压情况下，电极尖端的场强达不到形成先导临界值。这时水的电导对放电的发生产生重要的影响。在这种情况下，加在电极上的电压使液体介质中有传导电流流过，这一电流虽然不大，但它能使电极附近的水受到加热，并发生汽化。结果在电极间隙中形成气体通道，沿着这个通道进一步形成放电通道，发展为间隙击穿，导致电容器储能向该放电通道释放。

3)击穿效应

通道击穿后电容器贮能向液中放电通道释放，放电电流达几十千安至几百千安，通道中形成电弧放电，温度可高达10×103K。放电过程中通道的温度变化不大，在放电接近完了时温度下降。通道截面的增大和电弧放电电导率的某些增长，使通道电阻在开始击穿阶段迅速下降，到临近放电终了时，由于电弧中等离子体冷却和冷却引起的去游离过程，通道电阻又增大。电弧高温引起通道中压力升高，而且随即开始膨胀，在水中产生放电脉冲压力波。

4)气泡脉动

在放电的后阶段，通道己形成气泡，能量渗入终了后，通道形成的气泡膨胀仍在继续。脉动周期和气泡最大半径值决定于渗入通道的能量大小。气泡的连续脉动伴随着压缩波和稀薄波的发射，在气泡闭合时压缩波发射，这时气泡中压力高，被压缩的气泡引起临近液体层的凝缩。压缩波象征同时具有相应的稀薄波，它在气泡中的压力低于液体静压力发射。气泡压力波的特性是上升和衰减按近似指数函数变化。

2 可控频率脉冲放电声源构成

根据实际需求，要求水下放电脉冲周期可控，且放电频率最高可到100 Hz，并且再放电同时需不间断连续充电。所设计的放电系统组成如图1所示。

图1 系统的组成框图Fig.1 The system composition frame

其中，交流电源、升压整流、晶闸管、高压储能电容器构建成了1套高压脉冲电源。控制系统和触发系统由单片机控制完成，通过单片机控制系统改变高压脉冲电源的输出进行水中放电

3 脉冲放电频率可控设计

放电频率改变是通过可变电阻的阻值来实现的，原理为:调节频率按钮电阻改变可变电阻的阻值，电阻改变导致其上电压也随着改变。该电压经过控制电路分压，将电压控制在单片机AD口输入电压的动态范围内。在AD口对模拟电压进行采样，形成单片机内部的数字信号，对该数字电压信号进行比较计算，得到该输入电压对应的频率值。单片机依据频率值，在DA输出端口输出该频率的脉冲序列信号，脉冲电压信号经过放电频率控制电压耦合电路进行电压比较和光电耦合后，得到无干扰的脉冲控制信号，输出到晶闸管的控制输入端，晶闸管的导通频率由控制输入端的脉冲信号序列来控制，导通的频率与单片机产生的脉冲信号的重复频率相同。充电回路中220V交流电压整流成直流，以一定的充电时间对储能电容器充电，要在单位时间内(1 s)完成多次放电，则必须在每2次放电间隔时间内完成对电容器的充电，因此，充电时间必须满足小于触发信号的低电平脉宽。

用晶闸管替代了以往的间隙点火开关，采用高压晶闸管系统来做开关，其特点是能耐高压、门极信号采用微机控制系统进行调频。利用这种脉冲电源系统使水中脉冲放电能安全稳定运行，可实现放电周期的可控性。

通过设计与改造，最终达到所需要的实验要求:

1)在调压部分，实现了电压的连续可调，完成电路电压值在10 kV左右，并且能实现水中的重频放电时的充电要求;

2)在调频部分，实现了电路频率的连续可调，放电频率的调节范围在10～200 Hz之间。

4 试验以及数据处理

水中脉冲放电实验有很多不确定的物理过程，在不同参数下的水中脉冲放电现象与测量结构都相差很大。因此，在进行水中脉冲放电的实验研究中，测量与分析都是很重要的。因为水中脉冲放电伴随很强的电磁辐射，对测量设备有很强大的干扰。在实验室环境下，进行了不同频率下的测试，实验结果达到了设计预期。在改变频率的情况下，利用传感器测量所得水下脉冲信号如图2～图4所示。

本文将一般等离子体水中放电技术与可控导通频率控制电路相结合，研制出一套以海水作为介质的连续等离子放电脉冲声源。经过试验测试，放电频率的可控性和稳定性良好，该装置经过进一步小型化后，可作于水干扰声源等。

图2 充电电压波形Fig.2 The waveform of charging voltage

［1］秦曾衍，等，高压强脉冲放电及其应用［M］.北京:北京工业大学出版社，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.