水下强声源的定向辐射仿真

陈宏++曾跃胜

摘 要主要研究基于“液电效应”的水下等离子体强声脉冲产生及定向辐射技术的机理和方法，采用ANSYS软件建模并进行了仿真计算，结果符合预期要求。

【关键词】液电效应 等离子体声源 ANSYS 仿真

1 概述

等离子体声源是一种重要的水下强声源，能够产生比传统换能器高得多的脉冲声压级，且具有体积小、频带宽、发射模式可控等特点。目前已在海底地质勘探、污水处理、体外冲击波碎石、管道解堵、水下目标探测、水下防御等诸多领域得到了广泛应用。国内外诸多机构和单位开展了多电极等离子体阵列系统和单电极等离子体声源系统研究。多电极阵列电晕放电等离子体声源的优点是波形稳定，重复性好，但是声源级偏低。单电极等离子体声源通过椭球面聚焦可以在近距离固定焦点上获得非常高的声压，但过了焦点之后会加速扩散，不能用于远距离传播。本文侧重于研究基于单电极等离子体声源配合旋转抛物面，适合于远距离传播的强声定向发射机理和方法。

2 基本原理

采用旋转抛物面反射聚束技术来形成方向性尖锐的高强度声束，使发散的强声波沿着特定方向传播，以实现水下等离子体强声源的远距离定向辐射。对于旋转抛物面反射罩，将脉冲声源置于旋转抛物面的焦点处，部分声波能量以球面扩散形式向外传播，另一部分声波能量经过反射罩反射后会形成以反射罩杯口大小的平面波向外传播，如图1所示。因此可在近区观察到球面波形式的直达脉冲波前和平面波形式的反射脉冲波前，最终反射波相对直达波获得了一定的聚束定向增益，定向增益与反射面口径、形状、材质等因素直接相关。

3 定向声源建模与仿真

在ANSYS Workbench中对等离子体声源反射定向辐射装置进行简化建模，仿真模型及近似拟合的激励波形如图2所示。

计算域声传播环境定义为水，密度设置为1000kg/m3，声速为1473m/s，参考声压设置为1μPa。金属反射面通过抛物线方程进行母线绘制，反射面材料密度设置为7980kg/m3，声速为5664m/s。金属反射面与水的声结构耦合通过设置FSI（Fluid-Structure Interaction）实现，计算域外表面设置为声辐射边界或吸收边界，并根据实际情况设定静水压力。

仿真得到定向声波传播时间历程如图3所示。

对于旋转抛物面反射罩，将脉冲声源置于旋转抛物面的焦点处，部分声波能量以球面扩散形式向外传播，另一部分声波能量经过反射罩反射后会形成以反射罩杯口大小的平面波向外传播。因此可在近区观察到球面波形式的直达脉冲波前和平面波形式的反射脉冲波前，最终反射波相对直达波获得了一定的聚束定向增益，定向增益与反射面口径、形状、材质等因素直接相关。

根据仿真结果分析可知，定向声源轴线前方观察点处直达波声压为50kPa，反射波声压为360kPa，反射脉冲幅度是直达脉冲幅度的7.2倍，对应定向增益为17.1dB。

4 原理验证

为验证定向发射基本原理，构建了模型样件和测量水池，开展了水下等离子体声源的电声转换及定向辐射的等效原理验证。水池尺寸为4m×2.5m×1m，因未敷设消声材料，水池边界存在一定反射，但水下强声源脉冲持续时间仅数十微秒，几乎可以忽略池壁、水面等反射对直达信号测量带来的影响。采用型号为BK8104的标准水听器作为接收传感单元，其在0.1Hz～120 kHz范围内的接收灵敏度近似?205dB（以1V/μPa为参考）。

為检测辐射声源级，将标准水听器放置于辐射声源正前方采集到的样件单元脉冲波形如图4所示。

采集波形表明，经过反射面定向后的反射波相对直达波滞后93μs，折算对应焦距为70mm，同时反射波是直达波幅度的6倍，对应定向增益为15.6dB。定向增益比仿真结果略低，分析原因主要是仿真计算时采用了较为理想的声反射材料不锈钢，而等效原理验证中采用的是声反射系数相对较低的铝合金材料。另外，水下等离子体声馈源实际位置不一定正好处于反射面焦点位置，毫米级的偏焦也会造成定向增益的降低。

5 结束语

本文通过介绍水下等离子体声源的基本原理和产生方式，并结合水下等离子体声源的特点，分析了声源定向技术机理，给出了水下声源定向辐射的ANSYS仿真过程和结果。

参考文献

[1]彭艳芳.脉冲电流冲击装置设计与实验研究[D].大连：大连理工大学，2013：1-51.

[2]刘强.水中脉冲电晕放电研究[D].北京：中国科学院研究生院，2006：1-59.

[3]严辉，黄逸凡，闫克平等.等离子体震源及在海洋勘探中的应用[J].高压电技术，2012，38（07）：1171-1178.

[4]张振福，曾新吾等.基于水下脉冲放电的冲击波聚焦实验研究[J].国防科技大学学报，2012，34（04）：54-57.

[5]张洪欣，孙坤平，赵安邦等.组合式水下等离子体声源控制平台设计海洋技术学报[J].2014，33（01）：33-38.

[6]雷开卓，李宁，黄建国.椭球反射罩聚焦特性实验研究[J].西北工业大学学报，2010，28（01）：102-106.

作者单位

电子信息控制重点实验室 四川省成都市 610036