水下等离子体声源脉冲放电光谱测量与分析

　　0 引言

　　相对于传统形式的声源，以电容储能高压脉冲放电方式的水下等离子体声源具有脉冲宽度可调、声源级高、对环境无污染等优点，它在水下远距离目标探测，海底地声剖面测量，蛙人目标处置[1]等方面逐步得到了广泛应用。近年来，不少学者围绕强声波的产生和传播做了大量研究工作[2-3]，而一直以来，作为声的伴生产物?放电发光却缺乏研究[4]。针对上述情况，本文通过实验测量了等离子体声源水下脉冲放电产生的光谱，考察了不同放电参数对光谱的影响，并对其光谱特征进行了分析。

　　1 等离子体声源

　　上世纪50年代，前苏联科学家 Yutkin 发现了水的“液电效应”—在水中进行高压脉冲放电可以产生高强度的压力波。利用这一原理，德国科学家在上世纪80年代研制出了冲击波碎石机(lithotripter)并成功的用于体内结石的治疗[5-6]。本世纪初国内学者卢新培等提出了等离子体声源的设计思想[7-8]，利用高压脉冲放电在两电极之间生成等离子体通道，通道迅速向外膨胀挤压周围的液体而形成首次压力波，通道内热效应产生的气泡脉动形成二次压力波，在产生压力波的同时可以观察到剧烈的发光现象。

　　该声源系统主要由电源、传输线和放电电极组成。电源是等离子体声源最重要的组成部分，主要包括充电电路、放电电路和控制电路三个部分，如图1所示。传输线选用多芯同轴电缆，放电电极为直插式单电极(电极间隙距离可调、电极材料易于更换)，放电方式为电弧放电，结合凹面反射器可以实现强声波脉冲能量的定向聚束或聚焦。

　　2 实验材料和方法

　　水下等离子声源脉冲放电光信号的测量采用海洋光学公司的HR4000CG-UV-NIR光谱仪，其测量范围为200∼1100nm，分辨率为0.025nm，光谱仪PC端采用SpectraSuite配套测量软件。实验过程中，光纤探头与水箱的透光窗口平行，距离窗口20cm，实验设置如图2所示。光谱仪采用外部触发模式(ExternalTriggering Mode)，即在声源放电发光的同时给光谱仪RS232串口的第10针(外部触发针)一个5V的直流上升沿触发信号。为此，我们专门精心设计了带电磁屏蔽盒的外部触发装置。在测量之前，我们用标准钨带灯对实验系统进行了标定。为便于电与声光的能量转换分析，我们在光谱测量的同时，测量了加载到等离子体声源电极上的电流、电压以及放电所产生的声压。电流和电压的测量是从分压电阻(封装去离子水，分压比为2200：1)的采样端用带屏蔽的同轴电缆引出两路信号到NI采集卡的1#通道和2#通道。其中，电流信号线与采样端串联，电压信号线与采样端并联。声压的测量用NI-PCB压力传感器(出厂后校准，标定电压为5V/6.8Mpa)，压力传感器探头与电极间隙的中心点位于同一条线上，距离电极间隙的中心点15cm，强声波压力信号线接入NI采集卡的3#通道。NI测量仪采集到电流、电压和声压信号后，在PC端用Labview软件对测量结果进行实时显示和处理。