小型等离子体声源脉冲声信号特性及应用前景分析∗

2021-10-11孙庆鹏张晓兵

舰船电子工程 2021年9期

孙庆鹏张晓兵颜冰

（1.海军工程大学兵器工程学院武汉 430033）（2.中国人民解放军92213部队湛江 524064）

1 引言

前苏联科学家尤特金于1955年提出“液电效应”理论，即在液体介质中进行高电压、大电流脉冲放电时产生巨大的冲击波并释放出强烈的热、光、声辐射的现象［1］，它的物理本质是能量的高速转换，即电容器储能在液体介质中瞬间释放，使电场能直接转换成热能、光能、声能等其他形式的能量。此后，关于“液电效应”理论六十多年的研究历史中，其放电机理、传播特性［2］、聚束特性［3］、频谱特性［4］、能量效率、影响因素［5］、声源级测量［6］等方面在国内外被广泛研究并形成了较为完善的理论基础，当前，这一理论已在高电压水处理［7］、水下目标探测［8］、水下噪声干扰［9］、地质勘探［10］、体外冲击波碎石［10］等领域得到了广泛应用［12～14］。文章基于“液电效应”理论制作的小型等离子体声源，对在绵阳某水域进行实验时实测的脉冲声信号进行了分析，并对其在水下对抗领域的应用前景进行了初步探讨。

2 等离子体声源时域信号声学特性分析

本节主要对绵阳某次实验过程中在不同距离处实测的等离子体声源脉冲声信号的声学特性进行分析。主要分析内容为等离子体声源单个脉冲声信号的时域图、声源级和信号持续时间，实验当天天气晴朗，微风，水面比较平静，外界干扰较小。

2.1 等离子体声源脉冲声信号时域图

信号时域图描述的是信号随时间变化的曲线图。从信号时域图上可以清楚直观地看出不同时刻信号的强弱分布。本次试验采用水听器的采样频率为20kHz，系统的放大倍数为1，灵敏度为-193dB，水听器和等离子声源均置于水下1m处，声源放电电压为15kV，图1为不同距离处等离子声源脉单个冲声信号时域图。

图1上半部分为电极间距2mm采样距离1m处所实测的声信号数据，下半部分为电极间距2mm采样距离2m处所实测的声信号数据。从图中可以看出，在同一距离处实测的声信号幅度会有一定的变化，但是变化幅度都是在同一个数量级内，说明等离子体声源脉冲放电所产生的声信号幅度大小有一定的不确定性，其与电容器的储能、放电电极所处的环境有较大关系。

图1 单个脉冲声信号时域图

从图1的四幅图中均可以看出，信号有两个比较大的峰值，其中第一个是激波信号，第二个是气泡脉动，之后的信号幅度比较小，分别是二次气泡脉动、三次气泡脉动等。从图中也可以看出，脉冲声信号的主要能量集中在激波和第一次气泡脉动内，激波与第一次气泡脉动的时间间隔约为0.005s。

2.2 声源级

声源级为距离声学中心1m处所测得的声信号相对于参考声压的分贝数，计算信号的声源级用来描述信号的辐射噪声的强度。通过计算图1中的四个脉冲声信号得出的等离子体声源脉冲声信号的声源级如图2所示。

从图2中可以看出，信号的声源级最高能够达到200.5dB，脉冲声信号比舰船平均噪声高出约50dB～70dB，如果提高放电电压，增大放电电容等参数，脉冲声信号的声源级还会进一步提高。

图2 等离子体声源脉冲声信号的声源级

2.3 声持续时间

从图1中可以看出，截取的等离子体声源脉冲声信号仅有0.02s，能够有效起作用的信号持续时间不足0.01s，说明等离子体声源单个脉冲放电时间极短，信号能量十分有限，无法被有效利用，实际应用价值不高。为有效利用等离子体声源脉冲声信号进行水下对抗，可以采用的解决办法是提高等离子体声源脉冲放电频率和脉冲放电持续时间，这一解决措施将在后面部分详细叙述。

3 等离子体声源脉冲声信号频率特性分析

快速傅里叶变换（FFT）是傅里叶变换的一种快速算法，它能大大减少计算离散傅里叶变换所需要的乘法次数，能够有效节省运算时间，本节信号频率特性分析将采用FFT方法。对图1进行FFT得到的信号频率特性曲线如图3所示。

图3 单个脉冲声信号的频率特性曲线

从图3中可以看出，信号的主要能量集中在100Hz～1000Hz以内，信号峰值频率约为200Hz，尽管在100Hz以下、1000Hz以上的频率也有能量分布，但其能量相对较弱。从总体上来看，信号的频谱成分比较丰富。

从图中也可以看出，尽管图中单次脉冲声信号的四幅图幅值不同，但其时域图形十分相似、频率特性曲线变化规律也较为一致，说明了等离子体声源尽管每次脉冲声信号幅度有所差别，但是其波形和频率特性较为稳定。这里需要说明的是，声源的频谱特性不是一成不变的，如果改变等离子体声源的放电电压、电容容量、电极间距、水下深度等任何一个参数，信号的频率特性也会跟着发生改变。

4 等离子体声源脉冲声信号小波时频特性分析

为更精确掌握不同时刻等离子体声源脉冲声信号的频率随时间变化的特性，本节主要对实测的等离子体声源脉冲声信号采用小波变换进行了时频特性分析。

小波变换的时频特性是在二维相空间中进行显示的，该空间是以时间为横坐标，频率为纵坐标，在二维相空间中可以看出函数的局部时频特性，小波变换在对信号进行低频成分分析时，具有较高的频率分辨率，在对信号的高频成分分析时，具有较高的时间分辨率。

采用Coiflet小波系对选取的等离子体脉冲声信号进行时频分析，可以得出其信号频率出现的强度随时间变化的关系，该信号的小波时频变换如图4所示。

从图4小波时频特性图中可以看出，脉冲声信号低频处信号的能量相对较大，高频处信号的能量相对较小，整体趋势是随着脉冲声信号频率的增加信号的能量分布逐渐减弱，并且幅度衰减较快；在低频处脉冲声信号能量的持续时间比较长，在高频处脉冲声信号能量的持续时间比较短，并且频率越高信号能量持续时间越短。激波能量和第一次气泡脉动能量在1000Hz以上有明显的界限，说明脉冲声信号的能量也是不连续的，频率越高不连续性越明显。气泡二次脉动和三次脉动等能量较小，在图上除低频部分外，高频部分所包含的能量很小。从图中也可以看出，脉冲声信号在200Hz附近信号亮度较大，持续时间长，说明在该频率附近能量相对较高。

图4 小波时频特性图

5 等离子体声源在水下对抗领域应用前景分析

等离子体声源的应用目前已经十分广泛，在引言中已经有所说明，本节主要对其在水下对抗领域的应用情况进行分析。从前面四节对脉冲声信号的分析可以发现，单个脉冲声信号持续时间短，信号能量低，不能够被有效利用，为充分利用该种等离子体声源从事一定的水下对抗性工作，需要从以下几个方面进行改进：一是提高脉冲声信号的声源级，可以采取的办法是提高放电电压，增大放电电流，增大电容容量等；二是增大脉冲放电频率，使声信号的脉冲放电时间间隔尽可能缩短；三是组成等离子体声源阵列，多个等离子体声源通过控制系统并联，按照系统编码指令依次进行脉冲放电，如此循环往复，这样通过控制阵列进一步减小脉冲放电时间间隔；四是放电可持续时间一定要长，要有足够的时间去有效作用目标；五是在进行设计时，需要做好时间精确控制和电磁兼容防护，系统抗干扰能力、环境适应性要强；六是整个系统可靠性要高，选用的元器件能够在高强度的充放电条件下长期可靠工作。

采用该型等离子声源阵列可以在水下领域对抗蛙人，当发现蛙人从水下远处来袭时，等离子体声源通过连续水下脉冲放电释放出较强的声脉冲串，蛙人距离越近其接收到脉冲串声信号强度越强，达到蛙人承受极限后最终迫使蛙人浮出水面。

同时可以使用该型等离子体声源阵列对抗鱼雷，鱼雷在水下攻击目标时，其判断目标主要是看回波信号的强弱和频谱分布，当等离子体声源阵列的脉冲串声信号强于目标信号并且能够模拟目标的尺度时，其作为一种辅助手段，可以和鱼雷进行软对抗。当使用水面无人艇拖曳等离子体声源阵列时可以实现在运动中释放水下声脉冲串信号，这样可以引导鱼雷逐渐远离目标。

等离子体声源阵列也可以用来辅助对抗水雷，当无人艇拖曳等离子体声源阵列时，如果其发出的脉冲声信号特别强（类似于炸药水中爆炸），水雷引信接收后有可能会认为是水下爆炸信号或者扫雷信号等从而不动作或者误动作，如果再配合上传统的猎雷、扫雷、破雷、灭雷、炸雷等手段，可以增大水面舰艇或潜艇安全通过的概率，有效保护我方目标安全。