小型等離子體聲源脈沖聲信號(hào)特性及應(yīng)用前景分析?

孫慶鵬 張曉兵 顏 冰

（1.海軍工程大學(xué)兵器工程學(xué)院 武漢 430033）（2.中國(guó)人民解放軍92213部隊(duì) 湛江 524064）

1 引言

前蘇聯(lián)科學(xué)家尤特金于1955年提出“液電效應(yīng)”理論，即在液體介質(zhì)中進(jìn)行高電壓、大電流脈沖放電時(shí)產(chǎn)生巨大的沖擊波并釋放出強(qiáng)烈的熱、光、聲輻射的現(xiàn)象［1］，它的物理本質(zhì)是能量的高速轉(zhuǎn)換，即電容器儲(chǔ)能在液體介質(zhì)中瞬間釋放，使電場(chǎng)能直接轉(zhuǎn)換成熱能、光能、聲能等其他形式的能量。此后，關(guān)于“液電效應(yīng)”理論六十多年的研究歷史中，其放電機(jī)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(jí)測(cè)量［6］等方面在國(guó)內(nèi)外被廣泛研究并形成了較為完善的理論基礎(chǔ)，當(dāng)前，這一理論已在高電壓水處理［7］、水下目標(biāo)探測(cè)［8］、水下噪聲干擾［9］、地質(zhì)勘探［10］、體外沖擊波碎石［10］等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［12～14］。文章基于“液電效應(yīng)”理論制作的小型等離子體聲源，對(duì)在綿陽(yáng)某水域進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)實(shí)測(cè)的脈沖聲信號(hào)進(jìn)行了分析，并對(duì)其在水下對(duì)抗領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行了初步探討。

2 等離子體聲源時(shí)域信號(hào)聲學(xué)特性分析

本節(jié)主要對(duì)綿陽(yáng)某次實(shí)驗(yàn)過程中在不同距離處實(shí)測(cè)的等離子體聲源脈沖聲信號(hào)的聲學(xué)特性進(jìn)行分析。主要分析內(nèi)容為等離子體聲源單個(gè)脈沖聲信號(hào)的時(shí)域圖、聲源級(jí)和信號(hào)持續(xù)時(shí)間，實(shí)驗(yàn)當(dāng)天天氣晴朗，微風(fēng)，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(hào)時(shí)域圖

信號(hào)時(shí)域圖描述的是信號(hào)隨時(shí)間變化的曲線圖。從信號(hào)時(shí)域圖上可以清楚直觀地看出不同時(shí)刻信號(hào)的強(qiáng)弱分布。本次試驗(yàn)采用水聽器的采樣頻率為20kHz，系統(tǒng)的放大倍數(shù)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(gè)沖聲信號(hào)時(shí)域圖。

圖1上半部分為電極間距2mm采樣距離1m處所實(shí)測(cè)的聲信號(hào)數(shù)據(jù)，下半部分為電極間距2mm采樣距離2m處所實(shí)測(cè)的聲信號(hào)數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，在同一距離處實(shí)測(cè)的聲信號(hào)幅度會(huì)有一定的變化，但是變化幅度都是在同一個(gè)數(shù)量級(jí)內(nèi)，說明等離子體聲源脈沖放電所產(chǎn)生的聲信號(hào)幅度大小有一定的不確定性，其與電容器的儲(chǔ)能、放電電極所處的環(huán)境有較大關(guān)系。

圖1 單個(gè)脈沖聲信號(hào)時(shí)域圖

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

2.2 聲源級(jí)

聲源級(jí)為距離聲學(xué)中心1m處所測(cè)得的聲信號(hào)相對(duì)于參考聲壓的分貝數(shù)，計(jì)算信號(hào)的聲源級(jí)用來描述信號(hào)的輻射噪聲的強(qiáng)度。通過計(jì)算圖1中的四個(gè)脈沖聲信號(hào)得出的等離子體聲源脈沖聲信號(hào)的聲源級(jí)如圖2所示。

從圖2中可以看出，信號(hào)的聲源級(jí)最高能夠達(dá)到200.5dB，脈沖聲信號(hào)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(shù)，脈沖聲信號(hào)的聲源級(jí)還會(huì)進(jìn)一步提高。

圖2 等離子體聲源脈沖聲信號(hào)的聲源級(jí)

2.3 聲持續(xù)時(shí)間

從圖1中可以看出，截取的等離子體聲源脈沖聲信號(hào)僅有0.02s，能夠有效起作用的信號(hào)持續(xù)時(shí)間不足0.01s，說明等離子體聲源單個(gè)脈沖放電時(shí)間極短，信號(hào)能量十分有限，無法被有效利用，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值不高。為有效利用等離子體聲源脈沖聲信號(hào)進(jìn)行水下對(duì)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(xù)時(shí)間，這一解決措施將在后面部分詳細(xì)敘述。

3 等離子體聲源脈沖聲信號(hào)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(jì)算離散傅里葉變換所需要的乘法次數(shù)，能夠有效節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，本節(jié)信號(hào)頻率特性分析將采用FFT方法。對(duì)圖1進(jìn)行FFT得到的信號(hào)頻率特性曲線如圖3所示。

圖3 單個(gè)脈沖聲信號(hào)的頻率特性曲線

從圖3中可以看出，信號(hào)的主要能量集中在100Hz～1000Hz以內(nèi)，信號(hào)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(duì)較弱。從總體上來看，信號(hào)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(hào)的四幅圖幅值不同，但其時(shí)域圖形十分相似、頻率特性曲線變化規(guī)律也較為一致，說明了等離子體聲源盡管每次脈沖聲信號(hào)幅度有所差別，但是其波形和頻率特性較為穩(wěn)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(gè)參數(shù)，信號(hào)的頻率特性也會(huì)跟著發(fā)生改變。

4 等離子體聲源脈沖聲信號(hào)小波時(shí)頻特性分析

為更精確掌握不同時(shí)刻等離子體聲源脈沖聲信號(hào)的頻率隨時(shí)間變化的特性，本節(jié)主要對(duì)實(shí)測(cè)的等離子體聲源脈沖聲信號(hào)采用小波變換進(jìn)行了時(shí)頻特性分析。

小波變換的時(shí)頻特性是在二維相空間中進(jìn)行顯示的，該空間是以時(shí)間為橫坐標(biāo)，頻率為縱坐標(biāo)，在二維相空間中可以看出函數(shù)的局部時(shí)頻特性，小波變換在對(duì)信號(hào)進(jìn)行低頻成分分析時(shí)，具有較高的頻率分辨率，在對(duì)信號(hào)的高頻成分分析時(shí)，具有較高的時(shí)間分辨率。

采用Coiflet小波系對(duì)選取的等離子體脈沖聲信號(hào)進(jìn)行時(shí)頻分析，可以得出其信號(hào)頻率出現(xiàn)的強(qiáng)度隨時(shí)間變化的關(guān)系，該信號(hào)的小波時(shí)頻變換如圖4所示。

從圖4小波時(shí)頻特性圖中可以看出，脈沖聲信號(hào)低頻處信號(hào)的能量相對(duì)較大，高頻處信號(hào)的能量相對(duì)較小，整體趨勢(shì)是隨著脈沖聲信號(hào)頻率的增加信號(hào)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(hào)能量的持續(xù)時(shí)間比較長(zhǎng)，在高頻處脈沖聲信號(hào)能量的持續(xù)時(shí)間比較短，并且頻率越高信號(hào)能量持續(xù)時(shí)間越短。激波能量和第一次氣泡脈動(dòng)能量在1000Hz以上有明顯的界限，說明脈沖聲信號(hào)的能量也是不連續(xù)的，頻率越高不連續(xù)性越明顯。氣泡二次脈動(dòng)和三次脈動(dòng)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(hào)在200Hz附近信號(hào)亮度較大，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，說明在該頻率附近能量相對(duì)較高。

圖4 小波時(shí)頻特性圖

5 等離子體聲源在水下對(duì)抗領(lǐng)域應(yīng)用前景分析

等離子體聲源的應(yīng)用目前已經(jīng)十分廣泛，在引言中已經(jīng)有所說明，本節(jié)主要對(duì)其在水下對(duì)抗領(lǐng)域的應(yīng)用情況進(jìn)行分析。從前面四節(jié)對(duì)脈沖聲信號(hào)的分析可以發(fā)現(xiàn)，單個(gè)脈沖聲信號(hào)持續(xù)時(shí)間短，信號(hào)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(duì)抗性工作，需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)：一是提高脈沖聲信號(hào)的聲源級(jí)，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(hào)的脈沖放電時(shí)間間隔盡可能縮短；三是組成等離子體聲源陣列，多個(gè)等離子體聲源通過控制系統(tǒng)并聯(lián)，按照系統(tǒng)編碼指令依次進(jìn)行脈沖放電，如此循環(huán)往復(fù)，這樣通過控制陣列進(jìn)一步減小脈沖放電時(shí)間間隔；四是放電可持續(xù)時(shí)間一定要長(zhǎng)，要有足夠的時(shí)間去有效作用目標(biāo)；五是在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要做好時(shí)間精確控制和電磁兼容防護(hù)，系統(tǒng)抗干擾能力、環(huán)境適應(yīng)性要強(qiáng)；六是整個(gè)系統(tǒng)可靠性要高，選用的元器件能夠在高強(qiáng)度的充放電條件下長(zhǎng)期可靠工作。

采用該型等離子聲源陣列可以在水下領(lǐng)域?qū)雇苋?，?dāng)發(fā)現(xiàn)蛙人從水下遠(yuǎn)處來襲時(shí)，等離子體聲源通過連續(xù)水下脈沖放電釋放出較強(qiáng)的聲脈沖串，蛙人距離越近其接收到脈沖串聲信號(hào)強(qiáng)度越強(qiáng)，達(dá)到蛙人承受極限后最終迫使蛙人浮出水面。

同時(shí)可以使用該型等離子體聲源陣列對(duì)抗魚雷，魚雷在水下攻擊目標(biāo)時(shí)，其判斷目標(biāo)主要是看回波信號(hào)的強(qiáng)弱和頻譜分布，當(dāng)?shù)入x子體聲源陣列的脈沖串聲信號(hào)強(qiáng)于目標(biāo)信號(hào)并且能夠模擬目標(biāo)的尺度時(shí)，其作為一種輔助手段，可以和魚雷進(jìn)行軟對(duì)抗。當(dāng)使用水面無人艇拖曳等離子體聲源陣列時(shí)可以實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)中釋放水下聲脈沖串信號(hào)，這樣可以引導(dǎo)魚雷逐漸遠(yuǎn)離目標(biāo)。

等離子體聲源陣列也可以用來輔助對(duì)抗水雷，當(dāng)無人艇拖曳等離子體聲源陣列時(shí)，如果其發(fā)出的脈沖聲信號(hào)特別強(qiáng)（類似于炸藥水中爆炸），水雷引信接收后有可能會(huì)認(rèn)為是水下爆炸信號(hào)或者掃雷信號(hào)等從而不動(dòng)作或者誤動(dòng)作，如果再配合上傳統(tǒng)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(hù)我方目標(biāo)安全。

6 結(jié)語

文章首先對(duì)“液電效應(yīng)”的產(chǎn)生機(jī)理、影響因素、應(yīng)用情況進(jìn)行了說明，然后對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)測(cè)的某小型等離子體聲源水下脈沖聲信號(hào)數(shù)據(jù)分別從時(shí)域特性、頻域特性、時(shí)頻特性等三個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)的分析，最后從對(duì)抗蛙人、對(duì)抗魚雷、對(duì)抗水雷等三個(gè)水下對(duì)抗領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行了分析。