水下等離子體定向輻射聲源干擾特性研究*

方益喜　張群飛　雷開卓

(1.中船重工第七一五研究所　杭州　310023)(2.西北工業大學航海學院　西安　710072)

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水下等離子體定向輻射聲源干擾特性研究*

方益喜1，2張群飛2雷開卓2

(1.中船重工第七一五研究所杭州310023)(2.西北工業大學航海學院西安710072)

摘要水下離子體定向輻射聲源作為一項新興技術，具有聲源級高、脈寬窄、頻帶寬的特點。論文介紹了水聲干擾原理及聲源需求分析，闡述了水下等離子體定向輻射聲源的產生原理，研制了水下等離子體定向輻射聲源產生系統，進行了水下強聲脈沖遠程傳播的湖上實驗，研究了遠程傳播特性，分析了其波形及功率譜與水聲干擾需求的適用性。測試結果表明，水下等離子體聲源的聲源級高、頻帶寬，在水聲對抗中具有良好的應用前景。

關鍵詞水下強聲; 水聲對抗; 等離子體強聲源; 聲源級; 功率譜

Class NumberTM8

1　引言

隨著水聲探測設備的不斷發展以及蛙人、UUV等新型水下航行器的大量使用，對水聲對抗技術提出了更高的要求，必須從概念上對水聲對抗進行重新思考，以適應新形勢的需要[1]。

現有的水聲干擾器材大多是基于電聲轉換換能器的。如果工作在換能器的諧振頻率附近，發射效率較高，但是頻帶很窄。如果工作在諧振頻率之外或通過增加阻尼拓寬頻帶，則發射效率會大大降低，起不到干擾壓制的對抗效果。使用不同諧振頻率的組合式發射換能器，又體積大重量大。

近年來水下等離子體聲源技術獲得突破性進展，在體外沖擊波碎石[2]、管道除垢[3]、特種加工[4～5]、食品衛生[6]和污水處理[7]、海洋地質勘探與水下目標探測[8]等領域取得的顯著成果和成功應用。水下等離子體定向輻射聲源時的瞬時發射功率很大，聲源級可達260dB以上[9]，這就為我們提供了一個新思路，即用水下等離子體強聲來對抗水下目標，利用強聲脈沖的高功率、寬頻譜特性，壓制各種水聲探測設備，使其致盲而無法正常工作。

本文簡單介紹了水聲干擾原理及聲源需求分析，研制了水下等離子體定向輻射聲源產生系統，詳細分析了水下強聲脈沖的遠距離傳播特性，湖上實驗結果表明，水下等離子體定向輻射聲源具有良好的干擾特性，在水聲對抗中具有良好的應用前景。

2　水聲干擾原理及聲源需求分析

常用的水聲設備一般采取措施抑制自噪聲來提高輸入端的信噪比，從而提高檢測性能，如果我們人為地把噪聲加到水聲設備上，那就會增加其輸入端的噪聲級，這相當于降低了其輸入信噪比，從而對水聲設備的檢測性能造成不良影響。

干擾方式分為有源干擾和無源干擾，目前常采用有源干擾，有源干擾主要包括壓制性干擾和欺騙性干擾，其干擾效果取決于干擾噪聲級、噪聲頻率范圍和持續工作時間等。根據水下等離子體聲源的特性，其十分適合于壓制性干擾。

主動聲吶方程為

SL-2TL+TS≥NL-DI+DT

(1)

被動聲吶方程為

SL-TL≥NL-DI+DT

(2)

其中SL為發射聲源級(dB)；TL為傳播損失；TS為目標反射強度(dB)；NL為環境噪聲級(dB)；DI為接收指向性指數(dB)；DT為檢測閾(dB)。

當水聲設備受到水下等離子體聲源的干擾時，式(1)和式(2)變為

SL-2TL+TS≥NLi-DI+DT

(3)

SL-TL≥NLi-DI+DT

(4)

NLi=NL+SPL-TLi

(5)

其中，NLi為干擾聲源工作時水聲設備接收到的總噪聲級(dB)，SPL為干擾聲源的聲壓譜級(dB)，TLi為聲源至水聲設備的傳播損失(dB)。SPL數值越大，NLi越大，此時式(3)和式(4)的右邊越不容易成立，水聲設備就越不容易發現目標。為了提高SPL數值，應該盡量增加干擾聲源的能量和功率。

第二個因素是水下干擾聲源的頻譜范圍及分布特性，由于水下脈沖為極窄脈沖，其頻譜很寬，能量主要低頻部分，詳細的在下面實驗部分介紹。

另外還有一個因素就是干擾時間，由于水下脈沖的持續時間短，因此可以從兩方面進行著手：一是提高單位時間內的放電次數，另一個是同時使用多個聲源裝置采取時分復用方式進行發射。

3　水下等離子體定向輻射聲源

3.1水下等離子體聲源產生系統

水下等離子體聲源所涉及的是前蘇聯學者尤特金于1955年提出的“液電效應”(Electrohydraulic Effects)，它是指高功率脈沖電源對電極間隙內的水介質負載進行高電壓、大電流的脈沖放電時，所產生的巨大聲脈沖以及其他的物理化學等多種效應。整個過程非常復雜，瞬時的發射聲源級可以達到240dB～260dB[9]，并且發射聲脈沖窄，頻帶寬，在特定場合還可通過反射聚束技術形成方向性尖銳的高強度聲束。本系統的基本原理框圖如圖1所示，它由高壓充電系統、儲能電容C、觸發開關G、高壓觸發系統、放電電極S和輻射器組成。高壓充電系統主要將交流低壓升到所需的高壓，并將其整流成直流高壓，然后將能量儲存在脈沖儲能電容C中。觸發開關G在高壓觸發系統的作用下導通，將脈沖儲能電容C儲存的能量瞬間加到水下放電電極S兩極之間，使放電電極S在水下產生劇烈的高壓大電流放電，這樣電容上儲存的電場能就在極短的時間內釋放出來，形成沖擊波，即水下強聲脈沖。

圖1　水下等離子體定向輻射聲源實驗系統

3.2定向輻射原理

水下等離子體聲源產生的強聲脈沖聲波基本上是各向同性的球面波，如果不加處理就會迅速按照平方律衰減。為了實現水下強聲脈沖聲波的遠距離傳播，定向輻射是一種有效的解決方案，利用聲聚焦原理可實現聲波的定向輻射，提高聲波在指定方向上的強度，提高傳播距離。目前水聲工程中常用的定向輻射方法有聲透鏡法、曲面反射法和陣列聚束法等。聲透鏡法與光學透鏡對光波的聚束原理基本一樣，將來自某一方向的聲波經過聲透鏡后匯聚在焦點上，該項技術主要用于聲透鏡波束形成和目標成像，由于聲透鏡性能受材料、溫度等多方面因素影響，且功率較小，因此很少用于對大功率聲脈沖信號進行聚束。曲面反射法是利用曲面障板反射聚束的原理，將聲波按照一定的幾何規律進行匯聚，從而提高聲波強度，常用的有橢球面輻射器和拋物面輻射器。陣列聚束法是指將多個聲源組成陣列形成對聲波的匯聚，從而提高聲波在某方向上的強度。本系統中采用拋物面輻射器，根據拋物面的數學性質，拋物面只有一個焦點，如果把聲源放置在焦點處，那么經反射后的強聲波將平行傳播至外場，拋物面對水下等離子體產生的聲波進行聚束的示意圖如圖2所示，h1為拋物面輻射器的凹深、r1為開口半徑，F為焦點。

圖2　拋物面輻射器定向輻射原理

拋物線方程為

y2=2px

(5)

根據式(5)可知，焦點位置為(p/2，0)，在實際使用中可以根據對反射面的凹深和口徑的設計要求來確定焦點位置。因此，如果將放電電極放置于拋物面焦點F處，那么聲波經拋物面反射后就可平行向特定方向傳播，利用指向性增益獲得較強的強聲脈沖。如果想得到更大的聲源級，可以考慮利用多個水下等離子體強聲源形成陣列進行多元疊加。

4　單脈沖干擾特性實驗及結果分析

根據實際需求，為了了解水下強聲脈沖的遠程傳播特性，分析其在對抗水下目標時是否具有應用前景，進行了湖上實驗。在實驗過程中，我們在距聲源1m處布放了壓力傳感器，用來標定聲源級。在530m和1400m處放了標準水聽器，由于距離遠，在標準水聽器前加上了測量放大器，其低通設為40kHz，高通設為100Hz，放大倍數分別為300和1000，遠處使用GPS脈沖進行同步觸發采集，記錄儀的采樣率設為2M/s。

圖3給出了1m處壓力傳感器記錄的典型水下強聲脈沖波波形和分析長度為25ms時的功率譜密度圖。時域波形中的直達波是強聲源直接傳到壓力傳感器的聲波，而聚束波則是經過拋物面輻射器匯聚后傳播到壓力傳感器處的聲波。在這個實驗條件下，直達波的最大峰值壓力約為0.7841MPa，其對應的瞬時聲源級約為237.89dB，聚束波的最大峰值壓力約為5.8215MPa，其對應的瞬時聲源級約為255.30dB，聚束增益為7.42，即17.4dB，可見運用輻射器可有效提高發射聲源級。所謂聚束增益，就是指聚束波聲壓峰值與直達波聲壓峰值的比值，聚束增益可以反映出輻射器的匯聚性能，也是研究聲在水中非線性傳播的重要參數。從頻譜上看，在40kHz以下聲壓譜級達到170dB，起伏不超過3dB，到100kHz時也只下降了15dB，可見水下強聲的頻譜很寬。

圖3　距聲源1米處典型水下強聲脈沖

圖4和圖5分別是距聲源530m和1400m處接收到的強聲波形與相應的功率譜密度圖。經過遠距離傳播后，聲波的能量主要集中在40kHz以下，這是可以理解的，因為頻率越高，在水中的衰減越大，傳播的距離就越近。其實這個上限可以更高，因為在本實驗中所使用的測量放大器的低通設為了40kHz，但這已基本覆蓋了水下設備的工作頻率范圍[10]。

圖4　距聲源530米處波形及相應的功率譜

考慮到強聲脈沖用于壓制時的重復頻率大約為40Hz，而水聲探測設備是連續波工作體制，影響它的是平均譜級，因此在25ms的范圍內考察其平均譜密度級。例如，在100Hz～10kHz的聲納工作頻段，強聲脈沖傳播到530m時的聲壓譜級大于132dB，傳播到1400m時的聲壓譜級大于120dB，比100m處測得的20節驅逐艦聲壓譜級131-40=91B高出41dB[11]。也就是說，強聲源在距離聲納530m外開機后，即使驅逐艦從距離聲納100m的近距離通過，聲納陣列具有40dB的干擾抑制能力，也無法發現驅逐艦，現在的水下設備為了達到更遠的探測能力，工作頻率是往低頻化發展的，除非是用來成像的聲吶，其工作頻率可達幾百kHz，另外，UUV和蛙人也是往低頻化發展，因此，水下強聲的頻帶可以滿足要求。

圖5　距聲源1400m處波形及相應的功率譜

此外，水下強聲脈沖的脈寬窄、帶寬大，用于探測系統的照射聲源時，距離分辨率高、目標識別能力強、近距離探測盲區小，對隱身目標、掩埋目標具有良好的探測性能。

5　結語

水下等離子體聲源的聲源級高，峰值聲源級大于250dB，頻帶寬，100kHz以下的聲壓譜級大于155dB，傳播1400m后的40kHz以下的聲壓譜級仍大于120dB，幾乎完全覆蓋了水下探測設備和水中兵器的工作頻率范圍，在1kHz處的聲壓譜級比正常水中目標的輻射噪聲譜級(折算到1m處)高出9dB以上，具有良好的干擾特性，如果再利用水下強聲的重復放電，則其在水聲對抗中具有良好的應用前景。

參 考 文 獻

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*收稿日期：2015年10月11日,修回日期：2015年11月21日

基金項目：國家自然科學基金(編號：10974154) 資助。

作者簡介：方益喜，男，碩士，助理工程師，研究方向：波束形成、水聲信號處理。張群飛，男，博士，教授，研究方向：水下信息處理、水聲通信和系統仿真。雷開卓，男，副教授，研究方向：電聲技術、水下對抗。

中圖分類號TM8

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.04.037

Interference Characteristics of Underwater Plasma Directional Radiation Sound Source

FANG Yixi1，2ZHANG Qunfei2LEI Kaizhuo2

(1. 715thResearch Institute of China Shipbuilding Industry Corporation， Hangzhou310023)(2. College of Marine Engineering， Northwestern Polytechnical University， Xi’an710072)

AbstractAs a new technology， underwater shockwave has the characteristics of high sound level， narrow pulse width and wide frequency band. The underwater acoustic interference principles and demand analysis of sound source are elaborated， the underwater plasma directional radiation sound source generation mechanism， bunching up principles and the corresponding generation system are introduced， the remote propagation experiment of underwater shockwave is carried out in the lake， the waveforms and the corresponding power spectrums are also analyzed. The results show that the maximum source level of the plasma sound source is high and the frequency band is wide， which has a good application prospect in underwater acoustic countermeasure.

Key Wordsunderwater shockwave, underwater acoustic countermeasure, plasma sound source, source level, power spectrum