两级电源式海中电火花声源的理论与实验研究

The undersea-spark-discharge acoustic source(USDAS), which is based in the electro-mechanic effect in the underwater spark discharge, has important applications in the fields of ocean reconnaissance and security. However, the traditional USDAS driven by a single power deviec usually generates an initial arc in the pre-breakdown-heating phase, which leads to many drawbacks such as the high randomicity in the time point of the breakdown, the deficiency in the materials which are capable to be transferred to discharge plasma ,and the difficulty in the balance of the output intensity and eletro-acoustic efficiency. Accordingly, this project proposes a new USDAS, in which an individual and controllable low-voltage power is used to supply the pre-breakdown-heating process and an individual high -voltage power is used to generate underwater arc and shockwave. Such design can effectively eliminate the pre-breakdown intial arc and then overcome above drawbacks. This project is aimed at that: designing and producing a prototype of the dual-power USDAS, building an experiment system for the reseach on the breadkown mechanism, searching the accurate threshold condition of the electro-thermal breakdown and exploring the potential factors which can influence the electro-acoustic efficiency. The research results of this project,not only provide a new efficient and stable USDAS for the applications in ocean reconnaissance and security, but also have important academy value to the theoretical research on the breakdown mechanism of liquid which is still an intractable issue thus far.

电火花声源是一种基于水中脉冲放电所产生的“电水锤”效应的强声源，在海洋勘探、海洋安防等领域有着重大的应用前景。传统的单电源式电火花声源由于会在预击穿加热阶段生成初始电弧，因此存在着击穿时刻高度随机、转换为放电等离子体的物质份额不足、输出冲击波强度与电-声转换效率无法兼顾等缺陷。本项目提出了一种新型的两级电源式海中电火花声源，其中使用独立可控的低压电源完成预击穿加热，使用独立的高压电源产生水中电弧和冲击波。该设计可以有效地消除预击穿阶段的初始电弧，从而改善了上述缺陷。本项目旨在通过研制两级电源式电火花声源原理样机，为电热击穿的机理研究建立实验平台，从而寻找更为精确的、实现电热击穿的临界条件，并探索各种可能影响电-声转换效率的潜在因素。本项目的研究结果在实际应用中可为海洋勘测和海洋安防提供一种新型的、更为高效稳定的电火花声源，在理论研究中还对于液体击穿机理这一长期以来的难点也具有重要的学术价值

本项目按照资助项目计划书执行，由于各种原因，未能按期完成计划规定的全部研究内容，未能按期实现预期目标。. 目前，项目组已经基本完成了两级电源式海中电火花声源硬件平台的研制。其中，高低压耦合隔离装置的测量结果表明，在除去电磁干扰电压的情况下，装置已基本可以阻挡其右端发生高压放电时向左的渗透电压，但这高低压耦合隔离装置成功与否的判别，需要在测量电磁屏蔽较为完善的情况下展开右端实验加以验证。. 在调压台基础上研制的双压充电装置经检测，可以在只有一台浸油式30kV/10kW升压器的情况下，对1uF/30KV高压电容和2mF/4kV低压电容实现低损耗快速充电。但需要指出的是，上述双压充电装置尚未经受两级放电的电磁干扰的考验，这一点需要后继的实验中加以实现。. 研制的水中放电电极可以有效地避免发生在绝缘罩表面的水中表面闪络问题，减缓强冲击波对于绝缘罩的损坏速度。需要指出的是，该水中放电电极在低压预热过程中的表现与在随后击穿放电过程中的表现的差异，尚无法通过数值仿真的方式预估，必须展开两级放电实验加以研究。. 研制的放电控制装置，可以方便地切换高低压充电模式、送出指定脉宽的低压预热控制脉冲、控制IGBT模块的连接和切断，还可以实现对低压储能电容上剩余能量的泄放。需要指出的是，上述放电控制装置仅仅通过了右端实验的电磁干扰考验，尚未进行两级放电实验加以验证.. 研制的测量系统屏蔽装置，在触发干扰测试中，可将原来峰值3.5V的干扰电压，降低为1.2V，这为随后的实验验证工作打下了坚实的基础。不足的是，该屏蔽装置还需要改进才能彻底消除测量电磁干扰