[发明专利]两级电源式海中电火花声源

说明书

[技术领域]

本发明属于脉冲功率技术领域，尤其涉及一种用高压脉冲放电产生水下冲击波的装置。

[背景技术]

基于水中电弧放电的电火花声源具有频谱覆盖宽、重复频率高、安全性好等特点，在海洋勘探、液电成形、岩石粉碎、液电清砂除垢等领域得到了广泛应用。

目前，传统的、基于单一储能电容的海中电火花声源，有着三个固有的缺陷：

(1)高压同轴传输电缆的经济性和安全性较差。降低放电回路的寄生电感对于海中电火花声源的电-声转换效率非常重要，因此，传统的海中电火花声源通常倾向于使用电感最小的高压同轴电缆。高压同轴电缆的造价十分昂贵，且不能过度弯折，在长期使用的情况下，高压绝缘层的老化将使整个系统的安全性下降。

(2)冲击波的产生时刻存在随机性。根据我们对于水在10kV/cm量级电场下的击穿过程的研究(Yi-bo Wang,Shang-wu Wang,Xin-wu Zeng,Thierry Reess.ASemi-empirical model for the pre-breakdown-heating process in the underwaterdischarge acoustic source[J].IEEE.Trans.Plas.Sci,2012,40(1):98~111，下文简称《Semi-empirical model》)，单一储能电容驱动的海中电火花声源产生冲击波的过程可划分为四个阶段：

①引燃/流柱连接→②预击穿加热→③火花击穿→④电弧爆轰

当电压加载到水中放电间隙上时，水中电极表面将生成引燃区，引燃区内的放电等离子体将向另一电极扩展，形成一条高温、稀薄、半径在μm量级、压强约等于外界静压的初始电弧。低密度的初始电弧不会显著膨胀，因此不会立即引发击穿。因此，在水中存在的第一种加热机制是水中离子电流引发的焦耳加热，然而，初始电弧产生的对外热辐射在其周围水中的能量沉积，为预击穿加热过程提供了第二种加热机制。由于初始电弧的位置、形状通常具有高度的随机性，其提供的辐射加热功率也将具有高度的随机性，这就造成了预击穿加热阶段的持续时间具有高度的随机性。由于冲击波产生于火花击穿完成之后的、水中电弧急剧膨胀的过程(即电弧爆轰阶段)，因此冲击波产生的时刻也将具有高度的随机性。冲击波产生时刻的随机性将给多个电火花声源的阵列应用带来极大的困难。

(3)输出冲击波强度与电-声转换效率无法兼顾。预击穿加热过程将消耗一定的能量，由此将造成储能电容电压的泄漏。根据《Semi-empirical model》，预击穿加热结束时储能电容上的电压(剩余电压U_remain)决定了随后的火花击穿阶段所生成电弧的温度从而决定了水中电弧的初始压强(p≈nkT)。所以，在整个系统的绝缘安全需要得到满足的前提下(即储能电容的充电电压U₀不能随意提高)，要想提高输出冲击波的强度，就要加大储能电容。储能电容越大，剩余电压U_remain越接近充电电压U₀。然而，在提高电声转换效率的角度，储能电容却并非越大越好。这是因为：放电冲击波产生于水中电弧膨胀的早期阶段，此时水中电弧内的粒子密度较高，根据p≈nkT，在此阶段使水中电弧保持一定温度(通过增大储能电容来延缓击穿后U_remain的衰减速度可达到此目的)，对于提高冲击波的强度是有利的。随着水中电弧体积的急剧膨胀，其内部粒子的密度也将急剧下降。当电弧内的放电等离子体密度下降到一定程度后，继续让水中电弧保持较高的温度，对于冲击波强度的贡献则是可以忽略的。在此阶段，储能电容内的能量中的绝大部分，都转换为了电弧的辐射能。因此，在电声转换效率最大化的角度上看，在预击穿加热阶段结束后，海中电火花声源只需要一个大小适中的储能电容。

以上的分析可以归纳成两点：提高冲击波强度就需要提高剩余电压，要提高剩余电压就要尽可能地增大储能电容；由于冲击波产生于电弧膨胀的早期阶段，无限制地提高储能电容对于电声转换效率是不利的。由此可以看出，对于传统的单一储能电容驱动的海中电火花声源来说，输出冲击波强度与电声转换效率是无法兼顾的。

本发明就是为了解决传统的基于单一储能电容的海中电火花声源的上述三个缺陷。

[发明内容]

本发明的根本目的，就是为电火花声源的预击穿加热阶段和击穿后电弧爆轰阶段提供两个独立但相互耦合的电源。

本发明采用的技术方案是：