水下等离子体声源放电特性和声特性实测与分析

在小型消声水池中,同步测量水下等离子体脉冲声源的放电特性和声特性,实验分析研究了其在单电极和多电极下负载注入峰值功率和放电能量对声特性的影响。结果表明,在相同的电极数和间距下,直达波脉冲声源级仅与负载注入峰值功率有关,气泡脉冲声源级和气泡周期则主要受放电能量影响,多电极放电通过减小单根电极放的电能量来减小气泡脉冲声源级和气泡周期。此外,在相同的充电电压下,减小充电电容对电极数的比,可以增大直达波脉冲声源级并压制气泡脉冲;负载注入峰值功率对放电能量的比对声特性的影响也呈现出类似规律。实测及其分析结果可为进一步优化水下等离子体脉冲声源的声特性提供参考。

水下等离子体声源的声效率分析与研究

为研究水下等离子体声源放电系统的声效率问题，系统地分析了水下等离子体电晕放电和电弧放电两种放电方式的微观机理以及等离子体声源放电系统各部分之间的能量转换流程，建立了一套完整的系统声效率计算模型，同时设计了水下等离子体脉冲放电试验系统。通过比较和分析水下脉冲电晕放电和水下脉冲电弧放电的声效率发现，系统中电弧放电的声效率明显高于电晕放电。通过水下高压脉冲放电试验，详细分析了水下等离子体放电系统中关键部件对系统声效率的影响。分析结果表明：关键部件的设计和参数的优化配置对整个系统的声效率有重要影响；通过声效率的分析，能够准确评估水下等离子体声源的设计合理性。

水下等离子体声源的研究与设计

水下等离子体声源作为一种大功率水下脉冲声源,具备诸多优点,对于海洋资源开发及海上军事防务具有重要的战略意义。介绍了水下等离子体声源的基本原理、产生方式及定向聚焦技术,给出了水下等离子体声源的试验装置,详细地研究了系统各部件的设计原则和各个部件的参数配置,展望了水下等离子体声源的发展前景。本文结果来源于大量的水下等离子体声源设计经验。

水下等离子体放电通道阻抗特性研究

水下等离子体放电时,两电极间会形成高导电性的放电通道.放电通道的电阻随时间变化,从放电初期的几欧姆到中期的几毫欧姆,在放电后期又会迅速升高.水下等离子体放电有多种形式的能量产生,本文在较全面考虑主要能量形式的基础上,对气泡内能、气泡脉动能、冲击波能等不同能量进行系统的分析计算,结合实验测定的放电电流和冲击波压力,提出利用能量守恒定律对水下等离子体放电通道的电阻进行计算的方法,并与其它计算放电通道电阻的方法进行了比较,对比得出该方法的简便性和可靠性,并简要给出了能量转换控制的建议.

水下等离子体声源聚焦声场分布特性研究

研究了水下等离子体声源的工作原理和聚焦原理,研制了小功率的实验装置,并进行了聚焦声场实验测量,从声轴和焦平面2个方向研究了声脉冲峰值压力与声场位置之间的关系,得出了聚焦声场的分布特性。研究结果初步验证了水下等离子体声源的优越性,为进一步改进这种声源,以将其应用于100km以上超远程水下通信系统打下良好的基础。

水下等离子体声源的电声转换模型研究与计算

水下等离子体技术已经在诸多领域得到广泛应用,由于其高压脉冲放电的瞬时性和不易观测性,对于该技术电声转换的研究尚未有成熟的理论模型。本文结合水下等离子体声源电声转换装置,较全面地分析了充电回路和放电回路的电特性。在此基础上,给出了系统输入能量、电容器储存能量、负载消耗能量和声能量等概念的定义和计算公式,建立了水下等离子体声源电声转换的模型以及系统总效率模型。最后结合实验装置参数,对水下等离子体声源的电声转换模型进行了验证性计算。研究结果表明本文的电声转换模型是有效的,本文研究成果可为水下等离子体声源系统充放电回路参数的合理设计提供理论参考。

水下等离子体放电的电磁辐射脉冲测量方法

水下等离子体声源应用越来越广泛,但其电磁辐射脉冲测量却是一个空白和难点;分析了水下等离子体声源的工作特性,论证了电磁辐射脉冲测量设备,根据国家标准及电磁场辐射理论制定了测量方案,建立了水下等离子体声源电磁辐射脉冲测量系统;结合水下等离子体放电实验,对辐射电场和磁场进行了实时测量,并利用Matlab软件对测量数据进行了分析处理,研究了水下等离子体声源电磁辐射脉冲的时域频域特性。测量结果显示,在10μF/16kV电弧放电条件下,触发脉冲辐射的电场强度为45dBV/m、磁场强度为-112dBA/m,放电脉冲辐射的电场强度为35dBV/m、磁场强度为-98dBA/m。与国家标准规定的限值比较,辐射脉冲还未超过限值。

水下等离子体声源的正交试验设计与分析

水下等离子体声源在民用和军用领域都有广泛的应用,其发声机理和系统最优化设计是当前的研究热点。为了使声源的输出峰值压力y尽可能大,设计了放电电极间距(2mm,3mm,4mm)、储能电容容量(1uF,2uF,5uF)和充电电压(12kV,16kV,20kV)的三因素三水平正交试验方案,严格按照正交试验安排表进行试验,并用直观分析法对试验结果进行分析。结果表明:最优化的试验组合方案为A1B3C2,即放点电极间距2mm,储能电容容量5uF,充电电压16kV,估计出其峰值压力为9.864MPa,并通过试验验证了平均峰值压力为10.165MPa,与正交试验结论相符。该研究成果为水下离子体声源性能试验研究和最优化设计提供了依据。

影响水下等离子体声源频谱特性的参数分析

水下声脉冲的频谱是影响水声传播的重要因素,低频声脉冲具有辐射性强的特点。通过对水下声脉冲信号建模仿真,分析了影响信号频谱的参数,得到信号参数与信号频谱的变化规律,并且分析了水下等离子体声源参数对声脉冲信号频谱的影响,为今后水下等离子体声源的研制提供了参考。

水下等离子体电声转换效应仿真

对水下等离子体电声转换现象的微观粒子运动过程和宏观声场分布及演变过程进行了深入的动画建模仿真。其中微观粒子运动过程逼真地演示了水下等离子体的产生、放电通道的形成、放电过程中气泡生成、膨胀、收缩和破裂的各个典型过程,而声场分布及演变过程则利用声学软件对在反射体内及水中自由场中各个时刻声压的分布、强度和演变过程进行了细致地展示。整个仿真过程利用3DSMAX实现三维立体效果,做到了微观与宏观的结合,仿真结果和模型与实际系统物理参数真实对应,为研究水下等离子体电声转换的机理与特性提供了良好的仿真平台。

基于水下等离子体的脉冲通信发射机

水下声通信是海洋中最主要的通信方式,在时变空变随机多途的恶劣信道中实现可靠的超远程水声通信,是一项亟待解决的难题;论文提出了一种利用水下等离子体脉冲信号、采用脉冲定宽时序编码调制方案的超远程水声通信体制,研制了一种基于水下等离子体的微型脉冲声源,搭建了基于该声源的脉冲通信发射机,实现了入水自动检测、休眠定时切换、发射频率可调、码元调制编码等脉冲通信功能;经水池试验验证,该发射机在Φ60×600 mm体积内声源级达217 dB,较好地实现预设脉冲信号的发射。

不同能量水下激光诱导等离子体的轴向辐射分布特性研究

激光诱导击穿光谱（LIBS）技术作为一项新兴的水下原位探测技术,备受海洋探测技术领域的关注。将这项技术推向实用化的关键之一是改善LIBS的远程探测能力,因此需要采用超击穿阈值的高能量探测激光。为观察超击穿阈值情况下的等离子体辐射和动态击穿特性,采用图像与光谱相结合的方法,以KCl溶液为样品进行了系列实验研究。通过对1～20mJ不同能量激发下的等离子体图像分析,获得了不同激发条件下总辐射的轴向跨度和最亮点位置信息。随激光脉冲能量增大,等离子体长度增加,从1mJ时的0.49mm增加到20mJ时的1.83mm,同时辐射最亮点位置向激光入射方向移动了0.79mm。结合光谱探测分析,得出等离子体特征辐射的轴向空间分布也对激光能量有明显的依赖性。虽然不同能量下谱线强度呈相似的轴向空间分布,但钾原子辐射最强处的位置和相应强度均随能量变化,在5mJ激发下获得最佳辐射强度。实验结果表明,为满足远程LIBS应用需求,提高激光能量时应考虑其对原子辐射的影响。还对不同能量下的谱线的半高宽和信背比进行了观测分析。

水下窄脉冲超宽带信号的传播特性仿真

超宽带信号具有分辨率高、截获概率低、穿透能力强等优点,将在水下目标探测、定位及通信等领域具有良好的应用前景;基于水下等离子体声源提出了窄脉冲超宽带信号产生方法,建立了以传播损失和海洋环境噪声为主要影响因素的超宽带脉冲传播信道模型;结合湖试实测数据,利用Matlab仿真软件和Welch谱分析法,仿真分析了不同频率的超宽带脉冲在水下传播不同距离后的功率谱密度以及传播特性;研究成果对水下等离子体超宽带脉冲的工程应用具有重要的参考价值,同时对水下等离子体超宽带脉冲声源的设计和研制也有一定的借鉴意义。

水下强声波脉冲负压的产生和空化气泡运动

首先利用高速摄影和压力传感器测量的方法,对曲面反射式水下强声波脉冲的传播和聚焦过程进行了实验研究.实验研究发现,椭球面反射罩在起到汇聚声能的作用的同时也将使得强声波脉冲在传播过程中形成负压区,并由此而引发近场声传播通道上空化气泡群的产生.在实验结果的基础上,进一步利用基于Kirchhoff衍射定理的声传播模型和大振幅条件下的QX气泡运动方程,对强声波脉冲负压区的形成原因及空化气泡的运动过程进行了数值计算和分析.研究结果表明,在焦前区,源于反射罩内表面的"尾波"和出口处的"边缘波"在传播过程中将形成反射波中的负压区;在焦后区,源于反射罩顶点的"中心波"在传播过程中将形成反射波中的负压区.在反射波作用下,空化气泡体现出了"正压区受压缩并振荡,负压区膨胀"的运动特点.在反射波之后,空化气泡将出现成长、坍缩和回弹等典型的物理过程.研究结果对曲面反射式水下强声波传播物理规律的认识具有实际意义.