水下定向声能技术在水声对抗中的应用研究

　　0 引言

　　定向能技术是指利用激光束、粒子束、微波束、等离子束、声波束的能量,产生高温、电离、辐射、声波等综合效应,采用束的形式,而不是面的形式向一定方向发射来摧毁或损伤目标。水下定向声能研究隶属于定向能技术范畴,在水声对抗中可望通过液电效应和声束聚焦技术实现水下声能量的定向聚焦。

　　1 水下定向声能技术基本原理

　　1.1 液电效应[1]

　　高压强流脉冲放电技术是脉冲功率技术的重要研究内容之一,而高压强流脉冲在水下放电可以产生液电效应。图1中C为储能电容,S为开关,G为水下放电间隙。C上充有高电压U,当开关S接通时,电容C上的高压U突然加到水下放电间隙G上,使G立即击穿,接着电容C经S和G迅速放电,产生极强的放电电流。由于巨大能量瞬间释放于G的放电通道内,通道中的水迅速汽化、膨胀并引起爆炸,爆炸可引起巨大的冲击压力,这种水中放电产生强烈爆炸力效应称为液电效应。

　　1.2 声能的定向聚焦

　　声能聚焦与光束聚焦一样,可以通过几何透镜、物理透镜或者将换能器做成凹面阵实现聚焦。这些声能聚焦方法的焦点是固定的,而实际应用中通常需要调整焦点(改变焦距和聚焦方向)。采用这种方法调焦不便,速度较慢,尤其在鱼雷对抗时要求反应速度要快,所以机械调焦不适用。对于声能定向聚焦技术的研究较少,目前借鉴雷达的相控阵技术及医学领域的超声聚焦研究来开展工作。

　　相控发射是通过调整阵列换能器各阵元的发射相位(延时),使得各阵元发射的子波束在空间叠加合成,形成所需要的声束聚焦或偏转。这里采用N元等间距线列阵。当给N个基元加上同频、同相的电信号时,根据波束形成理论,基阵法线方向上任意观测点(满足远场条件),则各基元的信号会同相迭加,声压值最大。而其他方向由于声程差,不能进行同相迭加,因而声压值较小。若希望主瓣出现在A方向,则基阵各基元发出的声波在α方向上应产生声压的同相迭加。从图2可以看出,在A方向远场观测点处,从各个基元发出的信号出现声程差,以N号基元为参考基元,则声程差为li(i=1,2,,,N),表示第i号基元的信号比第N号基元信号少走的路程。声程差与时间差、相位差本质是一致的,换算成相位差表示:

　　式中:τi为第i个基元发出的声波比第N个基元发出的声波少用的时间; li为第i个基元发出的声波比第N个基元发出的声波少走的路程;φi为第i个基元发出的声波比第N个基元发出的声波超前的相位角; d为两相邻基元间的距离;α为主瓣方向与基阵法线方向之间的夹角; c为水下声速。