水下強(qiáng)聲源的定向輻射仿真

陳宏++曾躍勝

摘 要主要研究基于“液電效應(yīng)”的水下等離子體強(qiáng)聲脈沖產(chǎn)生及定向輻射技術(shù)的機(jī)理和方法，采用ANSYS軟件建模并進(jìn)行了仿真計算，結(jié)果符合預(yù)期要求。

【關(guān)鍵詞】液電效應(yīng) 等離子體聲源 ANSYS 仿真

1 概述

等離子體聲源是一種重要的水下強(qiáng)聲源，能夠產(chǎn)生比傳統(tǒng)換能器高得多的脈沖聲壓級，且具有體積小、頻帶寬、發(fā)射模式可控等特點。目前已在海底地質(zhì)勘探、污水處理、體外沖擊波碎石、管道解堵、水下目標(biāo)探測、水下防御等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外諸多機(jī)構(gòu)和單位開展了多電極等離子體陣列系統(tǒng)和單電極等離子體聲源系統(tǒng)研究。多電極陣列電暈放電等離子體聲源的優(yōu)點是波形穩(wěn)定，重復(fù)性好，但是聲源級偏低。單電極等離子體聲源通過橢球面聚焦可以在近距離固定焦點上獲得非常高的聲壓，但過了焦點之后會加速擴(kuò)散，不能用于遠(yuǎn)距離傳播。本文側(cè)重于研究基于單電極等離子體聲源配合旋轉(zhuǎn)拋物面，適合于遠(yuǎn)距離傳播的強(qiáng)聲定向發(fā)射機(jī)理和方法。

2 基本原理

采用旋轉(zhuǎn)拋物面反射聚束技術(shù)來形成方向性尖銳的高強(qiáng)度聲束，使發(fā)散的強(qiáng)聲波沿著特定方向傳播，以實現(xiàn)水下等離子體強(qiáng)聲源的遠(yuǎn)距離定向輻射。對于旋轉(zhuǎn)拋物面反射罩，將脈沖聲源置于旋轉(zhuǎn)拋物面的焦點處，部分聲波能量以球面擴(kuò)散形式向外傳播，另一部分聲波能量經(jīng)過反射罩反射后會形成以反射罩杯口大小的平面波向外傳播，如圖1所示。因此可在近區(qū)觀察到球面波形式的直達(dá)脈沖波前和平面波形式的反射脈沖波前，最終反射波相對直達(dá)波獲得了一定的聚束定向增益，定向增益與反射面口徑、形狀、材質(zhì)等因素直接相關(guān)。

3 定向聲源建模與仿真

在ANSYS Workbench中對等離子體聲源反射定向輻射裝置進(jìn)行簡化建模，仿真模型及近似擬合的激勵波形如圖2所示。

計算域聲傳播環(huán)境定義為水，密度設(shè)置為1000kg/m3，聲速為1473m/s，參考聲壓設(shè)置為1μPa。金屬反射面通過拋物線方程進(jìn)行母線繪制，反射面材料密度設(shè)置為7980kg/m3，聲速為5664m/s。金屬反射面與水的聲結(jié)構(gòu)耦合通過設(shè)置FSI（Fluid-Structure Interaction）實現(xiàn)，計算域外表面設(shè)置為聲輻射邊界或吸收邊界，并根據(jù)實際情況設(shè)定靜水壓力。

仿真得到定向聲波傳播時間歷程如圖3所示。

對于旋轉(zhuǎn)拋物面反射罩，將脈沖聲源置于旋轉(zhuǎn)拋物面的焦點處，部分聲波能量以球面擴(kuò)散形式向外傳播，另一部分聲波能量經(jīng)過反射罩反射后會形成以反射罩杯口大小的平面波向外傳播。因此可在近區(qū)觀察到球面波形式的直達(dá)脈沖波前和平面波形式的反射脈沖波前，最終反射波相對直達(dá)波獲得了一定的聚束定向增益，定向增益與反射面口徑、形狀、材質(zhì)等因素直接相關(guān)。

根據(jù)仿真結(jié)果分析可知，定向聲源軸線前方觀察點處直達(dá)波聲壓為50kPa，反射波聲壓為360kPa，反射脈沖幅度是直達(dá)脈沖幅度的7.2倍，對應(yīng)定向增益為17.1dB。

4 原理驗證

為驗證定向發(fā)射基本原理，構(gòu)建了模型樣件和測量水池，開展了水下等離子體聲源的電聲轉(zhuǎn)換及定向輻射的等效原理驗證。水池尺寸為4m×2.5m×1m，因未敷設(shè)消聲材料，水池邊界存在一定反射，但水下強(qiáng)聲源脈沖持續(xù)時間僅數(shù)十微秒，幾乎可以忽略池壁、水面等反射對直達(dá)信號測量帶來的影響。采用型號為BK8104的標(biāo)準(zhǔn)水聽器作為接收傳感單元，其在0.1Hz～120 kHz范圍內(nèi)的接收靈敏度近似?205dB（以1V/μPa為參考）。

為檢測輻射聲源級，將標(biāo)準(zhǔn)水聽器放置于輻射聲源正前方采集到的樣件單元脈沖波形如圖4所示。

采集波形表明，經(jīng)過反射面定向后的反射波相對直達(dá)波滯后93μs，折算對應(yīng)焦距為70mm，同時反射波是直達(dá)波幅度的6倍，對應(yīng)定向增益為15.6dB。定向增益比仿真結(jié)果略低，分析原因主要是仿真計算時采用了較為理想的聲反射材料不銹鋼，而等效原理驗證中采用的是聲反射系數(shù)相對較低的鋁合金材料。另外，水下等離子體聲饋源實際位置不一定正好處于反射面焦點位置，毫米級的偏焦也會造成定向增益的降低。

5 結(jié)束語

本文通過介紹水下等離子體聲源的基本原理和產(chǎn)生方式，并結(jié)合水下等離子體聲源的特點，分析了聲源定向技術(shù)機(jī)理，給出了水下聲源定向輻射的ANSYS仿真過程和結(jié)果。

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作者單位

電子信息控制重點實驗室 四川省成都市 610036