基于BOLT型气爆声源的充放气过程的理论研究

    BOLT 型气爆声源是一种高效的声干扰源。它具有频谱辐射效率高，声场能级大且能量集中等突出优点。但在工程应用中，由于耗气量大，气源不能提供持续、稳定的高压气体，致使气爆声源在高压状态下工作时易出现“连炮”、“哑炮”等现象，严重影响其工作效率。经实验证明这些现象与气爆声源的充放气特性有着直接的关系。本文就对气爆声源的充放气过程进行了分析，以期提高声源的工作性能。

    1 工作原理介绍

    如图 1 所示，在 BOLT 型气爆声源的活塞两端分别有上气室和下气室，从气源提供的额定压力的气体经阀控系统首先进入气爆声源的上气室，并推动活塞下移，使活塞封住下气室排气口，然后高压气体通过活塞的中间孔向下气室内充气。待两气室内的压力达到平衡时，打开电磁阀，此时上气室内的气体经电磁阀内部的通道进入启爆气室，使上、下气室内的压力平衡遭到破坏，活塞开始向上气室方向运动，同时打开下气室的排气口，使上下气室的高压气体迅速释放到水中，产生脉冲。

    从上述工作原理可知，BOLT 型气爆声源的一个工作周期由一次充气过程和一次放气过程组成。充气过程主要是为声源的辐射贮存足够的能量，放气过程主要是将气爆声源内的高压气体释放到水中，产生气泡并辐射声场。两个过程相辅相成、密不可分。

    2 充气过程的理论分析

    2.1 临界压力比的建立

    BOLT 型气爆声源的充气过程主要是指从气源向上气室和下气室内充气，使两气室内的压力达到平衡至上、下气室平衡破坏这一阶段。由于供气系统提供的气体压力较高，气爆声源体积相对较小，故充气时间较短，因此该充气过程可认为是一个绝热充气过程，即等熵过程。此物理过程可描述为：压力为 p1、温度为 T1的恒定气源，通过流量特性参数为 S 和 b 值的气动元件，向始压为 p0、始温为 T0（T0＝T1）、容积为 V 的容器内充气，充气压力为P2。用数学方程表述为：

    由（1）式可知，在气源向上气室和下气室的充气过程中，可认为上气室和下气室内的压力相等，活塞杆没有运动，其受力状态可描述为：

    式中：SL为活塞的上表面积，m2；SR为活塞的下表面积，m2；FL为下气室的壁面对活塞的作用力，N；P2和 FL非定值，且忽略摩擦力。

    充气时由于活塞上表面受力面积大于下表面受力面积，活塞不运动，当电磁阀打开，上气室中的高压气体流入启爆气室并打破活塞上的平衡力时，启爆气室和下气室中的气体压力将推动活塞向上加速运动，使排气口打开，下气室中的气体排出、压力急剧减小。由（2）式可得到活塞开始运动的临界压力比：