Simulating Underwater Plasma Sound Sources to Evaluate Focusing Performance and Analyze Errors

Focused underwater plasma sound sources are being applied in more and more fields. Focusing performance is one of the most important factors determining transmission distance and peak values of the pulsed sound waves. The sound source’s components and focusing mechanism were all analyzed. A model was built in 3D Max and wave strength was measured on the simulation platform. Error analysis was fully integrated into the model so that effects on sound focusing performance of processing-errors and installation-errors could be studied. Based on what was practical, ways to limit the errors were proposed. The results of the error analysis should guide the design, machining, placement, debugging and application of underwater plasma sound sources.

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。

一种基于冲激脉冲回波检测的主动目标定位技术

水下等离子体声源为一种强度高、宽带可控的脉冲声源,其声源级高于传统换能器,常被用作干扰远程目标的软杀伤性武器。当其产生的冲击波无法对目标实施有效的毁伤和干扰等软杀伤打击时,本文研究利用脉冲回波检测来对目标进行主动定位,以提升其运用效能。研究水下等离子体声源脉冲声波的有关特性,并对海底混响和海洋环境噪声与主动定位的关系进行相关仿真研究。建立以脉冲声波为主动声信号的目标主动定位处理模型,以舷侧11元阵和舷侧三子阵为接收水听器阵列,研究基于等离子体声源的主动目标定位技术,仿真验证了方法的有效性。

各种水下声源的发声机理及其特性

扼要综述了现有的七种水下声源产生技术,包括炸药爆炸声源、电声换能器声源、参量阵声源、流体动力式声源、电磁式声源、激光声源和等离子体声源。分析了这些声源的发声机理,结合其性能特点阐述了在实际中的不同应用,并对等离子体声源的机理、特点和实际应用进行了重点分析。列表归纳总结了各种水下声源的原理、主要性能和应用范围,为水下声源的应用拓展提供了依据。

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。

水下等离子体定向辐射声源干扰特性研究

水下离子体定向辐射声源作为一项新兴技术,具有声源级高、脉宽窄、频带宽的特点。论文介绍了水声干扰原理及声源需求分析,阐述了水下等离子体定向辐射声源的产生原理,研制了水下等离子体定向辐射声源产生系统,进行了水下强声脉冲远程传播的湖上实验,研究了远程传播特性,分析了其波形及功率谱与水声干扰需求的适用性。测试结果表明,水下等离子体声源的声源级高、频带宽,在水声对抗中具有良好的应用前景。

水下强声波脉冲引发的空化气泡运动和声辐射

通过建立由等离子体声源、PCB压力传感器和高速相机等构成的实验测量系统,研究了强声波脉冲引发的空化气泡运动和二次声辐射。通过实验,观察到了强声波脉冲特有的波形结构,空化气泡的成长、膨胀和坍缩过程以及气泡坍缩时辐射的声信号。其次,利用Gilmore方程和Bernoulli方程,从理论上对空化气泡的运动和声辐射进行了数值模拟和分析。研究结果表明:(1)在强声波脉冲正压区的作用下,空化气泡将受到压缩并围绕"准平衡态半径"振荡;在强声波脉冲负压区的作用下,空化气泡将出现膨胀、坍缩和回弹的物理过程。(2)空化气泡坍缩时周期性辐射的声脉冲持续时间极短,具有"冲击波"的特点。

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。

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。

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。