小型等離子體聲源脈沖聲信號特性及應用前景分析?

孫慶鵬 張曉兵 顏 冰

（1.海軍工程大學兵器工程學院 武漢 430033）（2.中國人民解放軍92213部隊 湛江 524064）

1 引言

前蘇聯科學家尤特金于1955年提出“液電效應”理論，即在液體介質中進行高電壓、大電流脈沖放電時產生巨大的沖擊波并釋放出強烈的熱、光、聲輻射的現象［1］，它的物理本質是能量的高速轉換，即電容器儲能在液體介質中瞬間釋放，使電場能直接轉換成熱能、光能、聲能等其他形式的能量。此后，關于“液電效應”理論六十多年的研究歷史中，其放電機理、傳播特性［2］、聚束特性［3］、頻譜特性［4］、能量效率、影響因素［5］、聲源級測量［6］等方面在國內外被廣泛研究并形成了較為完善的理論基礎，當前，這一理論已在高電壓水處理［7］、水下目標探測［8］、水下噪聲干擾［9］、地質勘探［10］、體外沖擊波碎石［10］等領域得到了廣泛應用［12～14］。文章基于“液電效應”理論制作的小型等離子體聲源，對在綿陽某水域進行實驗時實測的脈沖聲信號進行了分析，并對其在水下對抗領域的應用前景進行了初步探討。

2 等離子體聲源時域信號聲學特性分析

本節主要對綿陽某次實驗過程中在不同距離處實測的等離子體聲源脈沖聲信號的聲學特性進行分析。主要分析內容為等離子體聲源單個脈沖聲信號的時域圖、聲源級和信號持續時間，實驗當天天氣晴朗，微風，水面比較平靜，外界干擾較小。

2.1 等離子體聲源脈沖聲信號時域圖

信號時域圖描述的是信號隨時間變化的曲線圖。從信號時域圖上可以清楚直觀地看出不同時刻信號的強弱分布。本次試驗采用水聽器的采樣頻率為20kHz，系統的放大倍數為1，靈敏度為-193dB，水聽器和等離子聲源均置于水下1m處，聲源放電電壓為15kV，圖1為不同距離處等離子聲源脈單個沖聲信號時域圖。

圖1上半部分為電極間距2mm采樣距離1m處所實測的聲信號數據，下半部分為電極間距2mm采樣距離2m處所實測的聲信號數據。從圖中可以看出，在同一距離處實測的聲信號幅度會有一定的變化，但是變化幅度都是在同一個數量級內，說明等離子體聲源脈沖放電所產生的聲信號幅度大小有一定的不確定性，其與電容器的儲能、放電電極所處的環境有較大關系。

圖1 單個脈沖聲信號時域圖

從圖1的四幅圖中均可以看出，信號有兩個比較大的峰值，其中第一個是激波信號，第二個是氣泡脈動，之后的信號幅度比較小，分別是二次氣泡脈動、三次氣泡脈動等。從圖中也可以看出，脈沖聲信號的主要能量集中在激波和第一次氣泡脈動內，激波與第一次氣泡脈動的時間間隔約為0.005s。

2.2 聲源級

聲源級為距離聲學中心1m處所測得的聲信號相對于參考聲壓的分貝數，計算信號的聲源級用來描述信號的輻射噪聲的強度。通過計算圖1中的四個脈沖聲信號得出的等離子體聲源脈沖聲信號的聲源級如圖2所示。

從圖2中可以看出，信號的聲源級最高能夠達到200.5dB，脈沖聲信號比艦船平均噪聲高出約50dB～70dB，如果提高放電電壓，增大放電電容等參數，脈沖聲信號的聲源級還會進一步提高。

圖2 等離子體聲源脈沖聲信號的聲源級

2.3 聲持續時間

從圖1中可以看出，截取的等離子體聲源脈沖聲信號僅有0.02s，能夠有效起作用的信號持續時間不足0.01s，說明等離子體聲源單個脈沖放電時間極短，信號能量十分有限，無法被有效利用，實際應用價值不高。為有效利用等離子體聲源脈沖聲信號進行水下對抗，可以采用的解決辦法是提高等離子體聲源脈沖放電頻率和脈沖放電持續時間，這一解決措施將在后面部分詳細敘述。

3 等離子體聲源脈沖聲信號頻率特性分析

快速傅里葉變換（FFT）是傅里葉變換的一種快速算法，它能大大減少計算離散傅里葉變換所需要的乘法次數，能夠有效節省運算時間，本節信號頻率特性分析將采用FFT方法。對圖1進行FFT得到的信號頻率特性曲線如圖3所示。

圖3 單個脈沖聲信號的頻率特性曲線

從圖3中可以看出，信號的主要能量集中在100Hz～1000Hz以內，信號峰值頻率約為200Hz，盡管在100Hz以下、1000Hz以上的頻率也有能量分布，但其能量相對較弱。從總體上來看，信號的頻譜成分比較豐富。

從圖中也可以看出，盡管圖中單次脈沖聲信號的四幅圖幅值不同，但其時域圖形十分相似、頻率特性曲線變化規律也較為一致，說明了等離子體聲源盡管每次脈沖聲信號幅度有所差別，但是其波形和頻率特性較為穩定。這里需要說明的是，聲源的頻譜特性不是一成不變的，如果改變等離子體聲源的放電電壓、電容容量、電極間距、水下深度等任何一個參數，信號的頻率特性也會跟著發生改變。

4 等離子體聲源脈沖聲信號小波時頻特性分析

為更精確掌握不同時刻等離子體聲源脈沖聲信號的頻率隨時間變化的特性，本節主要對實測的等離子體聲源脈沖聲信號采用小波變換進行了時頻特性分析。

小波變換的時頻特性是在二維相空間中進行顯示的，該空間是以時間為橫坐標，頻率為縱坐標，在二維相空間中可以看出函數的局部時頻特性，小波變換在對信號進行低頻成分分析時，具有較高的頻率分辨率，在對信號的高頻成分分析時，具有較高的時間分辨率。

采用Coiflet小波系對選取的等離子體脈沖聲信號進行時頻分析，可以得出其信號頻率出現的強度隨時間變化的關系，該信號的小波時頻變換如圖4所示。

從圖4小波時頻特性圖中可以看出，脈沖聲信號低頻處信號的能量相對較大，高頻處信號的能量相對較小，整體趨勢是隨著脈沖聲信號頻率的增加信號的能量分布逐漸減弱，并且幅度衰減較快；在低頻處脈沖聲信號能量的持續時間比較長，在高頻處脈沖聲信號能量的持續時間比較短，并且頻率越高信號能量持續時間越短。激波能量和第一次氣泡脈動能量在1000Hz以上有明顯的界限，說明脈沖聲信號的能量也是不連續的，頻率越高不連續性越明顯。氣泡二次脈動和三次脈動等能量較小，在圖上除低頻部分外，高頻部分所包含的能量很小。從圖中也可以看出，脈沖聲信號在200Hz附近信號亮度較大，持續時間長，說明在該頻率附近能量相對較高。

圖4 小波時頻特性圖

5 等離子體聲源在水下對抗領域應用前景分析

等離子體聲源的應用目前已經十分廣泛，在引言中已經有所說明，本節主要對其在水下對抗領域的應用情況進行分析。從前面四節對脈沖聲信號的分析可以發現，單個脈沖聲信號持續時間短，信號能量低，不能夠被有效利用，為充分利用該種等離子體聲源從事一定的水下對抗性工作，需要從以下幾個方面進行改進：一是提高脈沖聲信號的聲源級，可以采取的辦法是提高放電電壓，增大放電電流，增大電容容量等；二是增大脈沖放電頻率，使聲信號的脈沖放電時間間隔盡可能縮短；三是組成等離子體聲源陣列，多個等離子體聲源通過控制系統并聯，按照系統編碼指令依次進行脈沖放電，如此循環往復，這樣通過控制陣列進一步減小脈沖放電時間間隔；四是放電可持續時間一定要長，要有足夠的時間去有效作用目標；五是在進行設計時，需要做好時間精確控制和電磁兼容防護，系統抗干擾能力、環境適應性要強；六是整個系統可靠性要高，選用的元器件能夠在高強度的充放電條件下長期可靠工作。

采用該型等離子聲源陣列可以在水下領域對抗蛙人，當發現蛙人從水下遠處來襲時，等離子體聲源通過連續水下脈沖放電釋放出較強的聲脈沖串，蛙人距離越近其接收到脈沖串聲信號強度越強，達到蛙人承受極限后最終迫使蛙人浮出水面。

同時可以使用該型等離子體聲源陣列對抗魚雷，魚雷在水下攻擊目標時，其判斷目標主要是看回波信號的強弱和頻譜分布，當等離子體聲源陣列的脈沖串聲信號強于目標信號并且能夠模擬目標的尺度時，其作為一種輔助手段，可以和魚雷進行軟對抗。當使用水面無人艇拖曳等離子體聲源陣列時可以實現在運動中釋放水下聲脈沖串信號，這樣可以引導魚雷逐漸遠離目標。

等離子體聲源陣列也可以用來輔助對抗水雷，當無人艇拖曳等離子體聲源陣列時，如果其發出的脈沖聲信號特別強（類似于炸藥水中爆炸），水雷引信接收后有可能會認為是水下爆炸信號或者掃雷信號等從而不動作或者誤動作，如果再配合上傳統的獵雷、掃雷、破雷、滅雷、炸雷等手段，可以增大水面艦艇或潛艇安全通過的概率，有效保護我方目標安全。

6 結語

文章首先對“液電效應”的產生機理、影響因素、應用情況進行了說明，然后對實驗過程中實測的某小型等離子體聲源水下脈沖聲信號數據分別從時域特性、頻域特性、時頻特性等三個方面進行了詳細的分析，最后從對抗蛙人、對抗魚雷、對抗水雷等三個水下對抗領域的應用前景進行了分析。