等離子體聲源強(qiáng)聲反射聲場特性的理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、等離子體聲源是一種新型的強(qiáng)聲源，具有聲源級高、波形參數(shù)和頻譜范圍可調(diào)的特點(diǎn)。在國防、工業(yè)和醫(yī)療等領(lǐng)域，該聲源都具有廣闊的應(yīng)用前景。與常規(guī)的壓電式聲源不同，等離子體聲源通過電容儲能高壓脈沖放電的方式將電能轉(zhuǎn)換成聲能。根據(jù)強(qiáng)聲的產(chǎn)生機(jī)理，等離子體聲源的放電方式主要分為電弧放電和電暈放電兩種。電弧放電比電暈放電產(chǎn)生的聲脈沖壓力幅值高，但是在電弧放電條件下介質(zhì)的擊穿時(shí)間具有隨機(jī)性，從而使得聲波的相位難以精確控制。為了提高等離子體聲源的有效作用距

2、離，需要通過一定的方式對聲波進(jìn)行聚能。在現(xiàn)階段精確控制電弧放電等離子體聲源產(chǎn)生的聲波的相位存在困難，我們難以使用相控陣列或聲透鏡的方式對聲波進(jìn)行聚能。本文主要針對曲面反射的聚能方式，對等離子聲源反射聲場的規(guī)律開展了理論研究、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究：
　　首先，在線性條件下，假設(shè)從反射罩焦點(diǎn)發(fā)出的聲脈沖為球面波，聲波的波長遠(yuǎn)小于反射罩的幾何尺寸，且觀察點(diǎn)位于反射罩的軸線上。根據(jù)Kirchhoff公式和線性系統(tǒng)理論得到了計(jì)算軸向反射聲場的

3、時(shí)域理論解。為了突破理論解的一維限制，利用Piwakowski提出的DR方法計(jì)算卷積形式的Kirchhoff積分，進(jìn)而得到了計(jì)算反射聲場的一般數(shù)值解。在非線性條件下，通過引入海水介質(zhì)中兩種鹽類——MgSO4和B(OH)3的弛豫吸收得到了擴(kuò)展型的KZK方程。利用等效聲源的方法，建立了求解強(qiáng)聲反射聲場的理論模型，并從算法穩(wěn)定性、精度和計(jì)算速度等方面對求解KZK方程的FDTD方法進(jìn)行了改進(jìn)。討論了強(qiáng)聲引發(fā)的聲空化問題，重新推導(dǎo)并更正了大振幅氣

4、泡運(yùn)動的QX方程。
　　其次，利用C-MEX混合編程的方法，獨(dú)立編制了計(jì)算程序，開展了針對強(qiáng)聲反射聲場演化過程的數(shù)值模擬。研究了沿拋物面或橢球面反射罩軸線和垂直于拋物面或橢球面反射罩軸線兩個(gè)方向上的強(qiáng)聲反射波的傳播演化；討論了二維反射聲場的分布特點(diǎn)；分析了拋物面“深焦比”變化對反射聚束性能的影響，以及非線性效應(yīng)對橢球面反射聚焦過程中實(shí)際焦點(diǎn)位置的影響。
　　第三，根據(jù)理論模型開展了強(qiáng)聲反射聲場的參數(shù)特性研究，討論了反射罩和聲

5、脈沖波形兩類參數(shù)對反射聲場的影響。其中，反射罩參數(shù)包括反射罩底部鉆孔、側(cè)面截?cái)嗪碗x心率變化等；聲脈沖波形參數(shù)包括脈沖的上升時(shí)間、寬度和壓力幅值等。
　　最后，建立了由水箱、等離子體聲源、橢球面反射罩、壓力測量系統(tǒng)和高速攝影系統(tǒng)等組成的實(shí)驗(yàn)平臺，并籍以測量了強(qiáng)聲直達(dá)脈沖的波形，驗(yàn)證了直達(dá)波的球面波特性；研究了強(qiáng)聲反射波的演化過程，對水中負(fù)壓的形成原因進(jìn)行了解釋；測量了強(qiáng)聲反射波沿橢球面軸線的時(shí)域波形和聲壓幅值的空間分布，驗(yàn)證了理論計(jì)

6、算關(guān)于橢球面反射聚焦和實(shí)際焦點(diǎn)位置偏移的結(jié)論；測量了空化氣泡的運(yùn)動過程，分析了在反射罩的焦區(qū)強(qiáng)聲脈沖驅(qū)動下的氣泡運(yùn)動特點(diǎn)。
　　通過研究，主要得出了以下結(jié)論：
　　1、衍射效應(yīng)將使得反射聲脈沖出現(xiàn)“中心波”、“邊緣波”和“尾波”等波形結(jié)構(gòu)。這三種波的壓力幅值、相位和到達(dá)時(shí)間與反射罩的幾何形狀和觀察點(diǎn)的位置有關(guān)。對拋物面反射聚束，中心波為正壓，邊緣波和尾波為負(fù)壓，且中心波比邊緣波和尾波的壓力幅值高。對橢球面反射聚焦，在焦前區(qū)，

7、中心波為正壓，邊緣波和尾波為負(fù)壓；在焦后區(qū)，則恰好相反。在拋物面反射罩的遠(yuǎn)場區(qū)和橢球面反射罩的第二焦點(diǎn)處，中心波、邊緣波和尾波的到達(dá)時(shí)間相同，三種波相互疊加使得反射脈沖波形與聲源波形的導(dǎo)數(shù)形式（df/dt）相同。此時(shí)，反射波的聲壓幅值除與聲波頻率有關(guān)外，還與反射罩的幾何參數(shù)有關(guān)。
　　2、非線性效應(yīng)將導(dǎo)致橢球面反射聚焦過程中實(shí)際焦點(diǎn)的位置發(fā)生偏移，即正壓的實(shí)際焦點(diǎn)出現(xiàn)在幾何焦點(diǎn)之后，負(fù)壓的實(shí)際焦點(diǎn)出現(xiàn)在幾何焦點(diǎn)之前。這種現(xiàn)象可以通

8、過“自折射”的原理來解釋。
　　3、根據(jù)拋物面“深焦比”變化對峰值聲功率的影響特點(diǎn)，提出了“衍射主導(dǎo)區(qū)”的概念。類似于非線性聲飽和現(xiàn)象，在目標(biāo)點(diǎn)處，固定焦距，當(dāng)拋物面的深焦比或口徑增加到一定程度時(shí)，峰值聲功率將停止增加。如果固定拋物面口徑，則存在一個(gè)最優(yōu)的深焦比，即 d/zF=3.92，使得遠(yuǎn)場的反射聲壓達(dá)到最大。這種規(guī)律對反射罩的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用。
　　4、反射罩形狀改變將對反射聲場造成影響。（1）拋物面反射罩底部鉆孔將使

9、得軸線附近的聲壓幅值出現(xiàn)回落的現(xiàn)象。在電極安裝方式上，側(cè)插式比直插式對反射聲場的影響更小。（2）橢球面反射罩側(cè)面截?cái)鄬⑹沟玫诙裹c(diǎn)處的反射波壓力幅值降低，并使得沿截?cái)喾较虻?6dB焦區(qū)寬度增加。（3）橢球面離心率增加反而使得焦點(diǎn)附近的反射波壓力幅值降低。
　　5、聲脈沖波形的上升時(shí)間tr、脈沖寬度T和壓力幅值p0等參數(shù)對反射聲場具有不同的影響。t r對反射聲場的影響不明顯，T增加將導(dǎo)致反射波負(fù)壓的持續(xù)時(shí)間增加、焦點(diǎn)附近的反射波壓力

10、幅值降低、負(fù)壓的實(shí)際焦點(diǎn)位置前移，p0增加反而使得聚焦增益下降。
　　6、在實(shí)驗(yàn)室的工況條件下，等離子體聲源產(chǎn)生的強(qiáng)聲波上升時(shí)間約為5μs，持續(xù)時(shí)間約為25μs，壓力幅值約為1MPa（L=30cm）。直達(dá)波具有良好的球面波特性，反射波的聚焦特性和實(shí)際焦點(diǎn)位置與理論計(jì)算結(jié)果相一致。高速攝影觀察到的氣泡運(yùn)動特征驗(yàn)證了強(qiáng)聲脈沖特有的波形結(jié)構(gòu)。
　　本文的研究為我國未來等離子體聲源的試驗(yàn)研究和具體應(yīng)用提供了一定的理論基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)依據(jù)。