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基于水间隙放电的低频声源设计理论与实现

作　者: 孙建军
导　师: 邹积岩
学　校: 大连理工大学
专　业: 电机与电器
关键词: 冲击大电流隐形潜艇脉冲电源回声探测宽带声源
分类号: TB561
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着科技的进步以及各国对军事的重视,隐形军事武器在现代战争中起着越来越关键的作用。隐形潜艇就是隐形武器家族中的重要一员,隐身技术的关键是在潜艇的艇身涂吸声材料。经研究发现,吸声材料虽然能够很好吸收主动声呐所发出的3kHz-5kHz声波,但其对频率在1kHz-3kHz范围的声波仍然具有较强的反射效果。为了对此类隐形潜艇进行探测,寻找安全可靠的1kHz-3kHz大功率低频声源成为反隐形潜艇技术的首要任务。传统的方式是向可能有隐形潜艇的海域投炸药,利用其爆炸产生的低频声波(含有1kHz-3kHz频段)遇到障碍物后产生的回波来测试并分析是否有隐形潜艇存在。该方法存在诸多缺点和不确定性。本文将强流脉冲放电应用到军事领域,设计与研制了基于水间隙脉冲放电的高功率水下低频声源。该声源具有操作安全、成本低廉、无环境污染,对海洋生物没有损害,能实现自动控制,重复性强,声信号的频谱宽,电声转换效率高等优点。本研究对该声源的相关设计理论做了详细论述,主要工作包括以下几部分：综述了水下大功率声源的发展现状,对用冲击大电流水中放电作为声源的可能性进行了分析,并对此方法进行了海上实验,得出实验结论：该种声源完全可以代替传统炸药声源对军事目标进行探测,声波波形重复性好,适合军事实战要求。以单相LC谐振恒流充电理论为基础,对三相LC谐振恒流充电系统进行了分析和计算。为了检验理论推导的正确性以及计算三相谐振充电方式的效率,进行了三相谐振恒流充电的试验,试验结果进一步验证了三相谐振恒流充电方式的可行性。最终完成了三相恒流充电系统的设计。提高了充电系统的效率,并使该充电系统能在2秒钟充电到45kV。对放电回路进行了设计。因为储能电容器放电时回路的放电电流峰值接近240kA,所以在设计放电回路时,对电容器分组并联连接,以降低放电回路器件的要求,同时也可以提高整个装置工作稳定性和安全性能。自行设计了充气式三电极火花隙开关,高性能水下放电电极及聚能罩。水下间隙即是放电负载,也是电能转化为声能的决定性部件。水间隙电阻的变化情况决定着放电效果的好坏。建立了水间隙等效电阻为时变电阻的放电模型和水间隙电阻为常数的放电模型,分别对两种模型进行了理论仿真得出了相应的结论。通过实验方式实测了流体力学的相关量,在电路参数完全相同的情况下,仿真结果与实验结果一致,因此两种模型得到了实验很好的验证。通过对声源的实验测量,分别研究了电容量、充电电压、回路电感、放电间隙等参数对声信号各个参数(声脉冲峰值pm1,第一气泡周期TB,上升时间τ1)的影响。同时还实验研究了充电电压、电容量、放电间隙、聚能罩对声效率的影响。最后本文给出了声源海上联合实测的结果。得出了该声源完全达到低频脉冲声源所要求的技术指标(放电时间间隔小于2秒,声脉冲峰值Pm≥1MPa,声脉冲频率集中在1kHz-3kHz)的结论。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-21
  1.1 引言  11-13
  1.2 常用大功率水下声源的发展概况  13-17
  1.3 基于水间隙放电的低频声源理论及研究现状  17-19
  1.4 论文的选题及研究内容  19-21
2 水下气泡脉动及其声学效应  21-37
  2.1 气泡产生机理及其脉动过程  21-23
  2.2 水中声信号的流体动力学描述  23-25
  2.3 水中声信号与声效率分析  25-28
  2.4 声信号频率特性研究方法  28-32
  2.5 声波的声源级和频谱级  32-35
  2.6 本章小结  35-37
3 基于水间隙放电的低频声源系统设计  37-66
  3.1 引言  37
  3.2 低频声源设计方案  37-41
    3.2.1 低频声源技术参数  37-38
    3.2.2 实现技术要求的可能性分析  38-39
    3.2.3 声源的设计总体框图  39-41
  3.3 充电回路设计  41-48
    3.3.1 单相LC谐振恒流充电原理  41-43
    3.3.2 三相LC恒流充电实验  43-45
    3.3.3 三相LC恒流充电电路设计  45-48
  3.4 放电回路设计  48-58
    3.4.1 放电回路参数确定  48-50
    3.4.2 放电回路元件选择  50-51
    3.4.3 电容器分组设计  51-53
    3.4.4 三电极火花隙放电开关的设计  53-55
    3.4.5 传输电缆的选择  55
    3.4.6 高压触发和控制系统设计  55-58
  3.5 水下放电间隙的设计  58-62
    3.5.1 间隙的几何参数  58-59
    3.5.2 材料的选择  59-61
    3.5.3 聚能罩  61-62
  3.6 低频声源系统调试中的问题  62-64
  3.7 本章总结  64-66
4 水下放电气泡模型建立与实验研究  66-83
  4.1 引言  66-67
  4.2 时变电阻放电模型  67-72
    4.2.1 能量注入阶段  68-71
    4.2.2 能量转换阶段  71-72
  4.3 常数电阻放电模型  72-74
  4.4 水间隙放电模型参数的实验比对  74-81
    4.4.1 实验装置参数  74-75
    4.4.2 基于不同模型的放电间隙电阻计算  75-78
    4.4.3 不同模型流体力学参数计算与实测数值  78-81
  4.5 本章小结  81-83
5 基于水间隙放电声源系统的实验研究  83-101
  5.1 脉冲放电回路的理论分析  83-87
  5.2 声源压力波形的各种参数及其影响因素实验研究  87-91
  5.3 声效率影响因素的实验研究  91-94
  5.4 海上实测及结果  94-100
    5.4.1 实验环境及实验装置参数介绍  94-96
    5.4.2 测试内容及结果  96-99
    5.4.3 声源直达声波的参数分析  99
    5.4.4 海上实测结论  99-100
  5.5 本章小结  100-101
6 研究结论与展望  101-102
参考文献  102-110
附录A 声源的整体及部件照片  110-112
创新点摘要  112-113
攻读博士学位论文期间的论文发表情况  113-114
致谢  114-115
作者简介  115-117

基于水间隙放电的低频声源设计理论与实现

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