电火花气泡阵列声源布置方法及气泡帷幕隐身实验平台

本发明涉及气泡动力学和水下声学隐身，具体为一种电火花气泡阵列声源布置方法及气泡帷幕隐身实验平台。

背景技术：

1、气泡帷幕是通过在水中喷射气泡或通过超声波等方式产生气泡。在水中，气泡聚集在一起形成一层薄薄的帷幕，这些气泡会反射、吸收并消散入射的压力波，从而减弱压力波的传播，实现减少水下噪声和抑制压力波传播的效果。气泡帷幕通过改变水的声和波动特性，可以在水下环境减少声波和压力波的传播和反射，为水下作业、海洋测量、声纳系统、水下结构物表面保护、海岸防御、水下通信等领域提供了有效且新颖的解决方案，如今，被工程和军事领域被广泛认可和应用。因此，开展相关实验进行气泡帷幕机理研究尤为重要。现有关于气泡帷幕声学隐身机理的实验研究仍存在传统声源(例如换能器)缺乏高幅值、低频部分等问题，进而导致了现有气泡帷幕隐身实验原理性研究不足。单个高压电火花在水中放电可以形成脉动气泡，产生对应大幅值、低频的压力波，理论上，通过多个电火花气泡阵列布放位置及激发频率的调节，可以对气泡阵列产生的叠加压力波场的幅频特性进行控制，模拟真实环境中低频声纳、爆炸等产生的强震源。但现有装置不能实现声源及声源阵列的多角度多方位的布置，且缺乏理论来指导电火花气泡阵列的空间布放方案。

2、气泡统一理论由哈尔滨工程大学流固耦合团队提出，该理论从最基本的数学物理原理出发，构造了波动方程的移动奇点基本解，计入气泡可压缩迁移效应，推导了能够同时计入边界效应、多气泡、流场环境、重力、迁移、可压缩性、粘性力、表面张力等条件和因素的具有优美数学形式的气泡统一方程，建立了气泡统一理论。气泡统一理论基本假设为将气泡等效为球形，气泡外流场为弱可压缩，该理论将不同源、不同尺度、不同环境下的气泡力学行为统一在数学方程中，还统一了rayleigh-plesset、keller-miksis等经典气泡理论，具有广泛的应用。

技术实现思路

1、本发明为了解决上述提到的现有气泡帷幕声学隐身实验装置的声源及声源阵列布置形式单一且缺乏理论指导的问题，特此提出了一种电火花气泡阵列声源布置方法及气泡帷幕隐身实验平台。本发明采用气泡统一理论对电火花气泡阵列声源的布置进行正演和优化，模拟计算不同电火花气泡阵列排布的压力数值，择优挑选得出合适的电火花气泡阵列排布方案进行布置。

2、本发明提出了一种电火花气泡阵列声源布置方法，其具体包括以下步骤：

3、步骤一、设定初始参数，包括电火花气泡阵列产生的气泡的中心坐标、初始半径、初始加速度、初始速度、内压、粘性系数、表面张力系数、时间步长和放电箱电压；

4、步骤二、根据气泡统一方程迭代计算出多气泡脉动在任意位置处诱导的压力；

5、步骤三、计算电火花气泡阵列的压力子波及频谱曲线；

6、步骤四、在计算得出的频谱曲线中挑选出符合目标范围的波形曲线，确定电火花气泡阵列声源布置方案。

7、更进一步地，所述步骤二过程为：

8、将气泡统一方程应用于自由场中得到公式一：

9、

10、其中，r指气泡半径，为气泡半径关于时间的导数，为关于时间的导数，t为时间，c为水中声速，v指气泡迁移速度幅值，h指气泡表面的焓；h通过公式二计算得到：

11、

12、其中，ρ指气泡外液体速度，pa指气泡位置处的静水压，pb为气泡外表面压力，pb由公式三计算得到：

13、

14、其中，pg为气泡内压，σ和μ分别为粘性系数和表面张力系数，假定气泡内部气体是均匀的，且服从绝热假设，pg＝p0(r0/r)3γ+pv，其中p0为气泡初始内压，γ为绝热系数，r0为气泡初始半径，pv为可冷凝气体的饱和蒸汽压；

15、将公式一、公式二和公式三带入到气泡统一方程中形成由气泡半径和气泡半径关于时间的导数构成的公式，并用二阶非线性偏微分方程进行迭代求解；

16、在任意位置r处由气泡n引起的速度un及其时间导数可表示为：

17、

18、

19、在多气泡相互作用过程中，考虑气泡m时，需将其它气泡对其周围流场的影响看作速度和压力场的扰动，因此，考虑所有其他气泡的影响，可以得到其他气泡在气泡m处引起的流速ub和压力pb：

20、

21、

22、其中q是气泡的总数，om是气泡m的中心，m和n表示气泡的数量；流场中的压力包含所有气泡的贡献，因此，r处的压力可以表示为：

23、

24、其中pa·是pa关于时间t的导数。

25、一种采用上述的电火花气泡阵列声源布置方法的气泡帷幕隐身实验平台，其具体包括若干气泡帷幕发生装置、水缸、电火花气泡发生与控制系统、声波接收系统和若干压力传感器，水缸左端设置有电火花气泡发生与控制系统，水缸中部上端设置有声波接收系统，水缸内对应声波接收系统正下方的底部设置有若干气泡帷幕发生装置；水缸内部对应电火花气泡发生与控制系统和声波接收系统的中间位置设置有若干压力传感器。

26、更进一步地，所述电火花气泡发生与控制系统包括放电箱、螺纹圆盘、若干螺纹圆柱、若干放电电机安装体和若干放电电极，螺纹圆盘包括圆盘主体和轴，轴一端转动设置在水缸内壁上，另一端和圆盘主体连接；圆盘主体上设置有若干螺纹圆柱；螺纹圆柱上滑动设置有若干放电电机安装体，每个放电电机安装体上设置有若干放电电极；放电箱通过导线和若干放电电极连接。

27、更进一步地，所述声波接收系统包括桁架、示波器、两个水听器和信号放大器，桁架设置于水缸中部上端，桁架两端分别设置有一个水听器，两个水听器、信号放大器和示波器依次连接。

28、更进一步地，所述气泡帷幕发生装置包括通气板和通气板下腔体，通气板下腔体上端设置有通气板，通气板下腔体和气泵连通，通气板上设置有若干气孔。

29、更进一步地，所述水缸内壁上设置有消声结构。

30、一种采用上述的气泡帷幕隐身实验平台的实验方法，包括以下步骤：

31、步骤一、连接通气板和通气板下腔体，对通气板下腔体通气，进行气泡幕发生装置气密性检查；

32、步骤二、根据气泡统一理论模拟计算出的压力子波及相应的频谱曲线，挑选电火花气泡阵列声源排布方案并进行布置；组装放电电极、放电电极安装体、螺纹圆柱和螺纹圆盘，调整放电电极位置，设置压力传感器，启动放电箱，打开高速相机，进行声激发测试；

33、步骤三、设定气体通量，对气泡帷幕发生装置进行通气，气体通过通气板进入水缸中，生成气泡帷幕，待气泡帷幕稳定后，开启放电箱激发声信号；

34、步骤四、启动水听器、信号放大器和示波器，记录声学信号。

35、步骤五、记录并处理实验数据并进行实验数据分析。

36、本发明所述的一种电火花气泡阵列声源布置方法及气泡帷幕隐身实验平台的有益效果为：

37、(1)本发明所述的一种电火花气泡阵列声源布置方法及气泡帷幕隐身实验平台，采用电火花气泡阵列代替换能器作为声信号源，弥补了换能器幅值过低的缺陷，更贴合真实背景，并采用气泡统一理论对电火花气泡阵列声源的布置进行正演和优化，模拟计算不同电火花气泡阵列排布的压力数值，择优挑选得出合适的电火花气泡阵列排布方案进行布置，通过螺纹圆盘和螺纹圆柱实现对电火花阵列多方位全角度的调整；

38、(2)本发明所述的一种电火花气泡阵列声源布置方法及气泡帷幕隐身实验平台，电火花气泡发生与控制系统与气泡幕之间相隔一段距离，保证所产生的电火花气泡传播到气泡幕上的声波曲线无较大幅值波动，减少实验误差，贴合真实背景；

39、(3)本发明所述的一种电火花气泡阵列声源布置方法及气泡帷幕隐身实验平台，通过调整声信号幅值、声信号阵列和频率、气泡帷幕发生装置布置阵列等进行声信号通过气泡帷幕先后的声信号相关规律变化的实验验证，为气泡帷幕隐身原理提供实验支撑和研究论证；

40、(4)本发明所述的一种电火花气泡阵列声源布置方法及气泡帷幕隐身实验平台，通过对通气板的更换、通气板下腔体隔板的增加，进而实现对气孔大小控制，从而实现对气泡大小，气泡幕厚度等参数的调整；

41、(5)本发明所述的一种电火花气泡阵列声源布置方法及气泡帷幕隐身实验平台，通过在水缸内壁粘贴有楔形结构的消声棉用于削弱壁面反射回波造成的干扰。