小型等離子體聲源在水聲領域的應用前景分析

孫慶鵬，張曉兵，顏 冰，程 穎

(海軍工程大學 兵器工程學院，湖北 武漢430033)

0 引言

自從前蘇聯(lián)科學家尤特金提出“液電效應”理論[1]以來，各國各行業(yè)關于等離子體聲源理論及應用的研究日趨深入，目前已經(jīng)研制出相關產(chǎn)品并應用于部分行業(yè)領域。等離子聲源的脈沖放電可以分為脈沖電弧放電和脈沖電暈放電，其脈沖放電過程受充電電壓[2]、充電電容、溫度、電導率、靜壓力、電極直徑、電極間距等的影響。本文將結(jié)合前人理論研究及實踐的成果，簡要介紹等離子體聲源脈沖信號采集裝置，對實測的幾組實驗數(shù)據(jù)進行分析，并對等離子體聲源的信號特性及應用前景進行分析。

1 等離子體聲源脈沖信號采集

等離子體聲源脈沖信號采集是在透明塑料水箱中進行的，其采集裝置示意圖如圖1所示。等離子體聲源和水聽器置于水下同一深度，離水面的距離為h，兩者的水平距離為r，參數(shù)h和r可以根據(jù)需要進行調(diào)整。等離子體聲源控制端用來控制等離子聲源，并使其按照要求產(chǎn)生脈沖放電信號。信號采集記錄設備用來記錄水聽器采集到的等離子體聲源脈沖信號。

圖1 等離子體聲源脈沖信號采集裝置Fig.1 Acquisition device of Plasma sound source pulse signal

2 等離子體聲源時域信號分析

等離子體聲源聲信號單次脈沖放電持續(xù)時間短，不能被有效利用；但等離子體脈沖串放電持續(xù)時間長，可以被有效開發(fā)使用。本節(jié)將對單次脈沖聲信號和脈沖串聲信號進行時域分析。本節(jié)分析所采用的聲源數(shù)據(jù)是作者使用某型水聽器采集到的某幾型本單位正在使用的等離子體聲源的水下脈沖放電實測數(shù)據(jù)。從采集的信號中可以看出，不同規(guī)格的等離子體聲源脈沖放電信號受電極間距、電極尺寸及形狀、電容大小、充電電壓等因素的影響。

2.1 單次脈沖聲信號時域信號分析

選用某次測量的試驗數(shù)據(jù)，通過MATLAB軟件對試驗測得的信號進行分析，畫出信號的時域波形如圖2所示。從圖中可以看出，等離子體聲源信號脈沖峰值能達到2.048 V，單個脈沖聲信號的持續(xù)時間約為150 ms，其中脈沖放電時間約為20 ms，脈沖衰減時間約為 130 ms，這說明單個水下脈沖聲信號持續(xù)時間短、聲能量有限。

圖2 單個聲信號時域圖Fig.2 Time domain diagram of a single sound signal

2.2 脈沖串聲源信號時域信號分析

本小節(jié)在進行脈沖串聲信號的研究時，采用的數(shù)據(jù)是試驗獲得的另外一種等離子體聲源的脈沖放電數(shù)據(jù)。其目的是與單個信號的時域波形進行比較，并說明不同參數(shù)下的等離子體聲源聲信號的不同。

圖 3是脈沖串聲信號及其聲源級隨時間變化的圖形。從圖3中可以看出，該型等離子體聲源脈沖串聲信號的脈沖峰值在時間上相互之間沒有影響。這說明只要脈沖放電時間間隔大于每次脈沖放電持續(xù)的時間，脈沖串中的脈沖相互之間就不會產(chǎn)生干擾。當脈沖放電時間間隔過1 h，上一次脈沖放電產(chǎn)生的氣泡脈動會對本次脈沖放電的氣泡脈動產(chǎn)生影響，信號時域波形也會發(fā)生變化。圖中所示的脈沖放電時間間隔大約為4 s。

脈沖串聲信號為達到較為理想的效果，一般脈沖放電時間間隔越小越好、脈沖信號峰值越大越好。但考慮到等離子體聲源設備的性能、壽命和應用環(huán)境，在能滿足需要的前提下，脈沖放電時間間隔、脈沖信號峰值選取只要符合使用的條件即可。

圖3 脈沖串聲信號時域圖Fig.3 Time domain diagram of impulse train sound signal

3 等離子體聲源頻率特性分析

本節(jié)將根據(jù)上節(jié)所選的2組信號及時域信號基本情況，分別對單次脈沖聲信號和脈沖串聲信號頻域特性進行分析。

3.1 單次脈沖聲信號頻域信號分析

利用快速傅里葉變換，可以將信號從時域轉(zhuǎn)換成頻域，并在頻域內(nèi)對信號的頻率信息進行分析。圖4是對單次脈沖聲信號去均值并進行平滑后的頻譜圖。信號的采用頻率是24 kHz。從該圖中可以看出，信號頻率成分比較豐富，從0～12 000 Hz都有分布。但信號頻率主要集中在800～4 000 Hz頻段內(nèi)，其峰值頻率為1 800 Hz，這個頻段也是水下應用較為廣泛的頻段。

圖4 FFT去均值平滑后變換頻譜圖Fig.4 Fourier transform spectrogram after FFT de-averaging

對單個脈沖聲信號進行功率譜估計[3-5]，主要是看信號在不同頻率上的功率分布，同時可以與傅里葉變換的圖形進行對比。圖5是用PSD-welch方法得到的功率譜估計，從圖中可以看出，在800～ 4 000 Hz信號功率比較強，峰值頻率約為1 800 Hz，與傅里葉變化分析的結(jié)果相吻合。

圖5 單個信號的PSD-welch功率譜估計Fig.5 PSD-welch power spectrum estimation of a single signal

3.2 脈沖串聲信號頻域信號分析

圖6是脈沖串聲信號去均值并平滑后的頻譜圖，信號的采用頻率為6 250 Hz。從圖中可以看出，脈沖串聲信號在低頻部分能量比較豐富，在頻率高的部分能量比較低，信號能量主要集中在2 000 Hz以內(nèi)。通過分析不同脈沖放電時間間隔的脈沖串聲信號，發(fā)現(xiàn)脈沖串聲信號的頻率分布與脈沖放電時間間隔的選取關系不大。脈沖放電頻率越高，在一定放電時間內(nèi)，信號的總能量越大。

圖6 脈沖串FFT去均值平滑后變換頻譜圖Fig.6 Fourier transform spectrogram after FFT de-averaging of sound signal impulse train

圖7是利用PSD-welch方法對脈沖串聲信號的功率譜估計。從圖中可以看出在0～2 000 Hz內(nèi)，信號能量明顯強于其它頻率。這說明該種等離子聲源產(chǎn)生的脈沖串聲信號在低頻范圍能量比較豐富。隨著頻率的增加，能量是逐漸衰減的。并且，脈沖放電時間間隔越短，信號在一定時間內(nèi)累積的能量越大。其分析結(jié)果圖傅里葉變化分析的結(jié)果相同。

圖7 脈沖串的PSD-welch功率譜估計Fig.7 PSD-welch power spectrum estimation of sound signal impulse train

4 小型等離子體聲源在水聲領域的應用前景分析

由前文對單個脈沖聲信號及脈沖串聲信號的時頻特性分析可知，等離子體聲源產(chǎn)生的脈沖聲信號頻率成分豐富，通常在某一頻率范圍內(nèi)信號能量比較集中。其可以作為水下脈沖聲源替代現(xiàn)有的水下炸藥爆炸[6-8]；作為信號干擾源去干擾敵人的水下探測聲吶、水聲探測引信；進行水下探測及定位、水下通信；充當水下假目標，應用于水下安防工作；也可以應用于海洋漁業(yè)觀察、海洋石油勘探等領域?，F(xiàn)就等離子體聲源幾種簡單的應用前景進行分析。

4.1 代替水下炸藥爆炸產(chǎn)生聲信號

在水下各種聲學試驗中，應用較為廣泛的聲源是水下炸藥連續(xù)爆炸產(chǎn)生的聲信號。盡管水下爆炸會產(chǎn)生很強的聲信號，信號頻率也很豐富，但爆炸產(chǎn)生的各種有害物質(zhì)會對水域產(chǎn)生污染，破壞該水域的生態(tài)，同時大批量使用其經(jīng)濟效益亦不劃算。但是，利用“液電效應”產(chǎn)生聲信號的等離子體聲源不會對海洋環(huán)境產(chǎn)生污染，并且經(jīng)濟效益較好。兩者的頻率成分都很豐富，在低頻段都有較高的聲功率，在低頻帶聲源級信號的峰值功率都能達200 dB以上。

等離子體聲源還可以采用聚束裝置增強信號在某一方向的強度，利用小型等離子體聲源制作成小型水下電爆炸聲源。將控制端置于水面，放電電極置于水下，在控制端可以按照需要使等離子體聲源在水下產(chǎn)生電爆炸脈沖放電信號。如果不需要等離子體聲源在水下長時間工作，供電單元可以采用蓄電池代替，這樣可以增加其使用的靈活性。在高電壓傳輸電纜長度足夠的情況下，通過調(diào)整電極在水中的深度，可以模擬不同深度的炸藥爆炸聲信號。因此，利用脈沖串聲信號代替水下炸藥作為水下聲源是可行的。

4.2 水下攻防對抗中干擾敵人聲吶

在水下攻防對抗中，無論是水面艦艇與潛艇之間的對抗，還是潛艇與潛艇之間的對抗，聲吶始終是水下對抗的主角。

聲吶有主動聲吶和被動聲吶之分，被動聲吶可以通過接收聲信號來判斷目標的方位，主被動聯(lián)合聲吶還可以測定目標的距離。當敵方發(fā)現(xiàn)我方水面艦艇或潛艇后，我方可以采取欺騙手段，將等離子體聲源設備通過小型無人艇布放于預定海域的一定深度。此時，敵人聲吶在較遠距離探測目標時，如果我方等離子體聲源信號頻率范圍寬且信號強度大，等離子聲源產(chǎn)生的信號與水面艦艇或潛艇產(chǎn)生的聲信號疊加后，敵方水聽器接收到的信號是畸變的信號，該畸變信號可使敵方在遠距離情況下無法準確判斷目標。并且等離子聲源產(chǎn)生的信號越強，對聲吶接收到的信號畸變越嚴重。水面艦艇或潛艇機動并逐漸遠離敵方聲吶的過程中，在等離子聲源的配合下，可以逐漸擺脫敵方聲吶的跟蹤。

4.3 干擾水聲探測引信

從前面脈沖串聲信號的時頻特性分析可知，等離子體聲源聲信號由于其功率比較大、頻率成分豐富，在一定距離條件下能夠有效干擾使用聲信號探測的水聲引信，因此使用等離子聲源脈沖串聲信號可以應用于干擾水聲探測引信。通過改變該脈沖串聲信號的信號峰值、脈沖放電頻率也可以改變其干擾水聲探測引信的距離。在與敵方魚雷或者水雷進行對抗的過程中，如果敵人對我方目標發(fā)起攻擊，當其使用聲制導或者探測設備時，等離子體聲源產(chǎn)生的脈沖串聲信號會使敵方魚雷在遠距離認錯目標或作出錯誤決策，亦會使水雷引信進入封閉狀態(tài)或?qū)δ繕水a(chǎn)生誤判而不發(fā)動攻擊，從而有效保存我方戰(zhàn)斗力。

4.4 水下探測及定位聲源

由于等離子體聲信號頻率范圍比較寬，低頻信號能量比較強，因此其水下傳播距離比較遠。通過測定該信號的收發(fā)時間，由水中的聲速、傳播時間與距離的換算關系就可以測定目標的距離。由于該信號與潛艇聲吶使用頻段比較接近，因此可以用來探測水下有無潛艇及目標。同時，研制基于小型等離子體聲源的水聲探測設備，可以對未知海域水下環(huán)境進行探測與定位，為我方及時掌握未知海域信息提供決策參考。當采用聚束效應在某一方向增強信號發(fā)射強度時，可以增大小型等離子體聲源水下探測和定位的距離，此時信號發(fā)射具有一定的方向，可以通過增加轉(zhuǎn)動機構(gòu)實現(xiàn)水下不同方向的探測。

4.5 水聲通信信號聲源

由前面的分析可知，等離子體聲源信號頻率分布范圍廣，不同型號的聲源產(chǎn)生的頻率也不同。但是，通過分析不同型號、不同參數(shù)的等離子聲源信號頻率分布，可以根據(jù)我們的需要，選定符合要求的某些型號、某些參數(shù)的等離子體聲源進行改造，研制基于這些型號的水下長距離水聲通信系統(tǒng)。通過將某種高頻信號疊加在該信號上，可以實現(xiàn)水下長距離的通信。如果將該信號在某一方向上聚束，可以提高信號在該方向上的強度、增大其通信距離。

4.6 水下假目標

由于等離子聲源聲信號頻率成分豐富，可以覆蓋較大的頻帶范圍，并且能量比較大，當其在水下工作時，可以作為水下假目標來欺騙敵人的聲吶，誤導敵方聲吶判斷，為我方爭取有利時機。同時，多個等離子聲源可以組合使用，即多個等離子聲源通過控制電纜串接在一起，釋放入水前預先設定每個聲源的脈沖放電時間間隔，根據(jù)需要將其置于不同深度，通過系統(tǒng)的自動控制程序給不同的水下放電電極供電，控制程序根據(jù)模擬的目標發(fā)送相應的指令。但是脈沖串聲信號畢竟是脈沖信號，時間間隔再短也不是連續(xù)的，這種情況只可以近似模擬水下潛艇目標或者水面大型船舶目標。多個等離子聲源的組合方式根據(jù)使用的方式不同可以粗略分為水平陣列、垂直陣列、平面矩陣陣列、空間立體陣列、不規(guī)則陣列等。

4.7 水下安防工作

水下安防[9]工作十分重要。目前，各國港口的安防主要通過布設水聽器設備，大型船舶的安防（如航空母艦）主要通過反蛙人聲吶，這 2種途徑都能在一定程度上保證自己的安全。但是，這 2種途徑只能及時發(fā)現(xiàn)目標，應對目標的威脅還需要一定的反應時間，不能達到發(fā)現(xiàn)即摧毀的效果，并且不具備即刻反擊的能力。

當前水下等離子體聲源的能量輸出平均達到160 dB以上，峰值功率部分可以達到200 dB以上。在低頻范圍能量比較集中的情況下，其能在一定水域范圍內(nèi)對入侵的潛水員或蛙人進行有效打擊。

在港口附近或大型船舶不同水下位置布設若干個大功率的等離子體聲源，可對港口附近或大型船舶周圍海域?qū)崿F(xiàn)水下強聲聲波覆蓋，距離聲源越近聲強越大。此時等離子聲源聲信號需要定期脈沖放電，發(fā)出的聲脈沖信號可在一定范圍內(nèi)對潛水員或蛙人有影響或刺激，而且距離越近刺激越強，最終迫使?jié)撍畣T或蛙人改變航行或者上浮出水。

4.8 海洋漁業(yè)觀察

等離子體聲源產(chǎn)生的脈沖串聲信號無污染，可以作為水下圖像聲吶的聲源，并且可用于水下漁業(yè)觀察。由于水下等離子體聲源信號頻率成分豐富，在信號能量較大且低頻成分豐富時，其水下探測距離遠，信號衰減小。研制基于低頻成分豐富的等離子體圖像聲吶，并將該種聲吶裝置布置在漁業(yè)養(yǎng)殖區(qū)域或者漁船上，可以對水下漁業(yè)狀態(tài)進行觀察，為漁業(yè)養(yǎng)殖、捕撈等提供參考和技術支持。同時，在遠海捕魚作業(yè)時，可對陌生水域水下魚群的狀態(tài)進行探查，為捕魚活動提供參考。

4.9 海洋石油勘探

由于等離子體聲源可在某一方向聚束，聚束后的聲源信號強度比較大，因此可以研制基于等離子聲源的小型聲吶勘探設備。該型聲吶勘探設備可以在海洋石油勘探領域發(fā)揮重要作用。當在水下鉆井過程中，如果大型水聲勘察設備因尺寸過大無法進行勘探作業(yè)，則可采用基于小型化等離子體聲源的聲吶設備進行探測作業(yè)，這為海洋石油勘探提供了新的探測裝置。當前，國內(nèi)外已有在陸地、海洋石油勘探中使用等離子聲源的相關報道。

5 結(jié)束語

本文首先介紹了液電效應的基本情況和等離子體聲源脈沖信號采集裝置。然后，根據(jù)不同類型的等離子體聲源實測的幾組水下脈沖放電試驗數(shù)據(jù)，選取2組數(shù)據(jù)進行了時域信號分析和頻域信號分析，并對這2種信號進行了傅里葉變化分析和功率譜估計，得出了等離子體聲信號頻率范圍廣、低頻能量大的結(jié)論。最后，從水下爆炸、干擾敵方聲吶、干擾水聲探測引信、水下探測及定位聲源、水下通信信號聲源、水下假目標、水下安防工作、海洋漁業(yè)觀察、海洋石油勘探等幾個方面就小型等離子體聲源在水聲領域的應用前景進行了分析。結(jié)果表明：等離子體聲源應用前景廣闊，值得我們在后續(xù)深入進行研究。