一种水下等离子体声源定向辐射装置的制作方法

本发明涉及一种声源辐射装置，尤其涉及一种水下等离子体声源定向辐射装置。

背景技术：

水下等离子体声源，又叫电火花声源，其工作原理是基于前苏联科学家尤特金提出的“液电效应”理论，即在液体介质中进行高电压、大电流的脉冲放电，产生强烈的冲击波实现声能辐射。等离子体声源具有高功率、窄脉宽、宽频谱等特点，在管道除垢、污水处理、卫生消毒、海洋地质勘探等领域发挥着广泛应用。

等离子体声源系统中具有大容量储能电容，正常工作时，其在微秒级的时间内向水下电极通道内放电，形成高温、高压的等离子体通道，从而汽化周围的水介质并且压力以较高的速度向外传播，形成辐射声脉冲。

超高温(10千开～100千开)、超高压(10千帕～100千帕)等离子通道对放电电极的耐高温、耐烧蚀、耐冲击等性能要求较高，电极头端面发生形变或烧蚀不均匀对辐射声脉冲的波形影响也较大。

现有技术中，已经公开的声源辐射装置往往存在一定缺陷，现有装置的放电电极头端面不耐烧蚀，容易出现烧蚀不均匀和易发生形变等现象，且电极使用寿命大多有限，当电极损毁后往往不易更换；同时，现有装置本身的绝缘性和水密性差，用以提高等离子体声源峰值声压的聚能方法又具有工程实现困难、操作难度大及操作过程复杂等问题，现有聚能方法也没有从减少系统回路电感量来提高峰值声压的角度进行考虑和设计。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种水下等离子体声源定向辐射装置，用以改善现有装置存在的放电电极头端面不耐烧蚀、烧蚀不均匀、易发生形变、损毁后不易更换、装置本身的绝缘性和水密性差，用以提高等离子体声源峰值声压的聚能方法工程实现困难、操作难度大及操作过程复杂等问题。

本发明采用的技术方案如下：

包括刚性抛物面声障板、阳极锥形支撑杆、阳极放电电极、阴极放电电极、阴极绝缘介质支撑台和法兰圆盘；所述刚性抛物面声障板底部与所述法兰圆盘中心相接；所述法兰圆盘上分布有用于外部等离子体声源设备密封固定连接的螺纹通孔；所述阳极锥形支撑杆与所述刚性抛物面声障板内侧相接；所述阳极锥形支撑杆中心处是矩形平台结构，所述阳极放电电极尾端连接在所述阳极锥形支撑杆上矩形平台结构的中心，阳极放电电极头端朝向所述刚性抛物面声障板底部；所述阴极绝缘介质支撑台密封固定连接在所述刚性抛物面声障板中心；所述阴极放电电极尾端连接在所述阴极绝缘介质支撑台的中心，所述阴极放电电极头端与所述阳极放电电极头端相对应；所述阳极放电电极与所述阴极放电电极，其头端对应的放电中心位于所述刚性抛物面声障板抛物面的焦点上。

进一步，所述刚性抛物面声障板为中空结构，刚性抛物面声障板上开设有抽真空接口，可用于对抛物面声障板进行真空处理。将刚性抛物面声障板真空处理后，由于声波不能在真空中传播，常规声障板的一部分透射波都会转变成反射波，进一步提高声障板的聚能效果。

进一步，所述刚性抛物面声障板、所述阳极锥形支撑杆和所述法兰圆盘是采用数控铣床加焊接技术成型。

进一步，所述阳极锥形支撑杆上矩形平台结构的中心设有带内螺纹的螺纹通孔，所述阳极放电电极尾端具有与所述内螺纹相匹配的外螺纹，所述阳极放电电极与所述阳极锥形支撑杆通过所述螺纹结构进行密封固定连接。

进一步，所述阴极绝缘介质支撑台的中心设有带内螺纹的螺纹孔，所述阴极放电电极尾端具有与所述内螺纹相匹配的外螺纹，所述阴极放电电极与所述阴极绝缘介质支撑台通过所述螺纹结构进行密封固定连接。

进一步，所述阳极锥形支撑杆上矩形平台结构中心的螺纹通孔与所述阴极绝缘介质支撑台中心的螺纹孔为同轴结构。

进一步，所述阳极放电电极与所述阴极放电电极是完全相同的圆柱体结构，所述放电电极采用钼钢制成，放电电极头端面为带有小倒角的平面，所述小倒角的角度不大于35度。

进一步，所述阳极放电电极头端与所述阴极放电电极头端之间的放电间距和放电中心的位置可以通过放电电极尾端的螺纹结构进行调节。

进一步，所述放电电极中部对称预设有两处凹槽，所述凹槽用于为其他辅助夹具提供紧固放电电极的支撑平面。

进一步，所述阴极绝缘介质支撑台为圆柱体圆台，所述阴极绝缘介质支撑台外表面设有外螺纹，所述刚性抛物面声障板中心设有与所述阴极绝缘介质支撑台尺寸相匹配的螺纹孔，所述阴极绝缘介质支撑台与所述刚性抛物面声障板通过所述螺纹结构进行密封固定连接。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明提供的声源辐射装置结构简单、零件种类少、易于拆装和更换，操作方便，易于推广；

2.本发明提供的声源辐射装置通过数控机床于焊接的方式加工的刚性抛物面声障板、阳极锥形支撑杆和法兰圆盘极大地提高了装置本身的机械强度和耐大电流能力，抗冲击性能好，结构稳定，通过刚性抛物面声障板和放电电极位置配合的聚能方法起到很好的声源定向辐射效果，可广泛适用于海洋地质勘探、海洋考察、水下目标探测、卫生消毒等水下大功率、强冲击力的声源系统中；创造性的提出刚性中空抛物面声障板，真空处理后，由于声波不能在真空中传播，常规声障板的一部分透射波都会转变成反射波，较之前的抛物面声障板具更好的聚能效果。能够总体上提高强声脉冲的谱级。更适宜于地质勘探与，海洋考察。

3.本发明提供的声源辐射装置各组件间多采用螺纹方式连接，相较于焊接等其他连接方式，具有更好的稳定性和水密性，为本发明长时间的水下作业提供了条件；

4.本发明提供的声源辐射装置通过改进放电电极，电极是等离子体放电产生声波的核心，在电极处采取了两个办法，1)通过几十种以及长期电极材料放电试验，最终钼钢具有极佳的耐烧蚀性以及抗蠕变性，将钼钢用于等离子体放电电极，极大的提高了使用寿命。2)在放电电极断面形成倒角，且角度小于35度，该方法可以实现放电均流。在放电过程中由于瞬时电流过大，采用尖端放电的方法会极大的破换电极端面，降低使用寿命，且多次使用后，放电端面发生变换的话，就会造成后期放电不均匀，产生的声波波形以及幅值发生变化，严重影响后期使用。采用一定倒角的方法不仅可以提供使用寿命，同时可以保证多次使用后，声波波形具有较高的重复度，便于后期使用。解决了波形不稳定问题。

使电极的烧蚀现象得到缓解，提高了电极在大电流、高温环境下的使用寿命，从而降低了电极的更换频率，同时，电极尾端设计成螺纹结构，即使出现严重的烧蚀现象，也只需要更换电极，而不用整体更换定向辐射装置，极大的降低了使用和维护成本，操作也更加灵活方便；

5.本发明提供的声源辐射装置将阴极放电电极安装在阴极绝缘介质支撑台上，从而有效的将阴极放电电极和阳极放电电极进行隔离，不但可以防止超高压放电过程中产生的击穿打火现象，而且阴极绝缘介质支撑台本身也是通过螺纹方式与刚性抛物面声障板密封固定连接，具有很好的水密作用，可以有效的保证装置在正常工作时不会发生漏水。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1所示为水下等离子体声源定向辐射装置的剖面图；

图2所示为水下等离子体声源定向辐射装置放电电极的结构示意图；

图中标记：

1是刚性中空抛物面声障板；2是阳极锥形支撑杆；3是阳极放电电极；4阴极放电电极；5是阴极绝缘介质支撑台；6是螺纹通孔；7是法兰圆盘。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

实施例1：

本发明提供了一种水下等离子体声源定向辐射装置的较优实施例如图1所示。包括刚性中空抛物面声障板1、阳极锥形支撑杆2、阳极放电电极3、阴极放电电极4、阴极绝缘介质支撑台5和法兰圆盘7；刚性中空抛物面声障板1底部与法兰圆盘7中心相接；法兰圆盘7上分布有用于外部等离子体声源设备密封固定连接的螺纹通孔6；阳极锥形支撑杆2与刚性抛物面声障板1内侧相接；阳极锥形支撑杆2中心处是矩形平台结构，阳极放电电极3尾端连接在阳极锥形支撑杆2上矩形平台结构的中心，阳极放电电极3头端朝向刚性中空抛物面声障板1底部；阴极绝缘介质支撑台5密封固定连接在刚性中空抛物面声障板1中心；阴极放电电极4尾端连接在阴极绝缘介质支撑台5的中心，阴极放电电极4头端与阳极放电电极3头端相对应；阳极放电电极3与阴极放电电极4，其头端对应的放电中心位于刚性中空抛物面声障板1抛物面的焦点上。

在本发明的较优实施例中，刚性抛物面声障板1、阳极锥形支撑杆2和法兰圆盘7是采用数控铣床与焊接加工成型，极大地提高了装置本身的机械强度和耐大电流能力，抗冲击性能好，结构更稳定。一体成型的刚性中空抛物面声障板1和阳极锥形支撑杆2对阳极放电电极3的轴向位置进行了限位，通过严格的计算和调试，可以保证放电电极的放电中心正好位于刚性抛物面声障板1其抛物面的焦点上；而一体成型的刚性抛物面声障板1和法兰圆盘7相较于焊接的连接方式，又避免了因声焦点偏心而影响聚能效果的现象。所述刚性中空抛物面声障板1上开设有抽真空接口，可用于对抛物面声障板进行真空处理。

所述阳极锥形支撑杆2上矩形平台结构的中心设有带内螺纹的螺纹通孔，所述阳极放电电极3尾端具有与所述内螺纹相匹配的外螺纹，所述阳极放电电极3与所述阳极锥形支撑杆2通过所述螺纹结构进行密封固定连接；所述阴极绝缘介质支撑台5的中心设有带内螺纹的螺纹孔，所述阴极放电电极4尾端具有与所述内螺纹相匹配的外螺纹，所述阴极放电电极4与所述阴极绝缘介质支撑台5通过所述螺纹结构进行密封固定连接；所述阳极放电电极3头端与所述阴极放电电极4头端之间的放电间距和放电中心的位置可以通过放电电极尾端的螺纹结构进行调节；所述阳极锥形支撑杆2上矩形平台结构中心的螺纹通孔与所述阴极绝缘介质支撑台5中心的螺纹孔为同轴结构；所述阴极绝缘介质支撑台5为圆柱体圆台，所述阴极绝缘介质支撑台5外表面设有外螺纹，所述刚性抛物面声障板1中心设有与所述阴极绝缘介质支撑台5尺寸相匹配的螺纹孔，所述阴极绝缘介质支撑台5与所述刚性抛物面声障板1通过所述螺纹结构进行密封固定连接。

在本发明的较优实施例中，刚性中空抛物面声障板1抛物面声障板1的抛物面半径是利用射线声学原理进行反复计算得出的，阳极放电电极3头端与阴极放电电极4头端之间的放电间距和放电中心的位置可以通过放电电极尾端的螺纹结构进行调节，通过将放电中心调节到位于刚性抛物面声障板1其抛物面的焦点上，可以使经中空抛物面声障板1聚焦后的声源提高10db以上，具有很重要的价值同时，通过对阴极放电电极4头端和阳极放电电极3头端之间的放电间距进行调节，可以使本装置的电声转换效率达到最佳。在实际使用中，随着放电电极的不断烧蚀，阴极放电电极4头端和阳放电电极3头端之间的放电间距会不断发生变化，利用放电电极尾端的螺纹连接方式，就能很方便的做到对放电间距的及时调整，从而始终保证最佳的电声转换效率；通过刚性抛物面声障板1和放电电极位置配合的聚能方法，能很好的起到声源定向辐射效果，可广泛适用于海洋地质勘探、海洋考察、水下目标探测、卫生消毒等水下大功率、强冲击力的声源系统中。

在本发明的较优实施例中，法兰圆盘7上分布有用于外部等离子体声源设备密封固定连接的螺纹通孔6，本装置各组件间也多采用螺纹方式连接，相较于焊接等其他连接方式，具有更好的稳定性、气密性和水密性，为本发明长时间的水下作业提供了条件。

在本发明的较优实施例中，阳极锥形支撑杆2上矩形平台结构中心的螺纹通孔与所述阴极绝缘介质支撑台5中心的螺纹孔为同轴结构，因此，阴极绝缘介质支撑台5可以起到限位阴极放电电极轴向位置的作用，使阴极放电电极4和阳极放电电极3处于同一轴线上，保证放电电极的放电中心正好位于刚性抛物面声障板1其抛物面的焦点处；阴极绝缘介质支撑台5自身为绝缘材质，能有效的将阴极放电电极4和阳极放电电极3进行隔离，防止了超高压放电过程中产生的击穿打火现象；另外，阴极绝缘介质支撑台5与刚性抛物面声障板1通过所述螺纹结构进行密封固定连接，不但具有很好的水密作用，而且安装方便，出现损坏也易于更换，可以有效的保证装置在正常工作中不会出现漏水现象。

本发明提供了一种水下等离子体声源定向辐射装置的较优实施例，其放电电极的结构示意图如图2所示。所述阳极放电电极3与所述阴极放电电极4是完全相同的圆柱体结构，所述放电电极头端面为带有小倒角的平面，所述小倒角的角度不大于35度；所述放电电极中部对称预设有两处凹槽，所述凹槽用于为其他辅助夹具提供紧固放电电极的支撑平面。

应知道，等离子体声源是一种超高压、强电流、大功率声源，而放电电极作为电声转换的关键器件，其放电瞬间的击穿电流大，温度高，会出现严重的烧蚀现象。在本发明的较优实施例中，经过反复多次对各种不同电极的尖端放电测试，对放电电极进行改进，采用钼钢作为电极材料，将放电电极头端面设为带有小倒角的平面，使电极的烧蚀现象得到缓解，提高了电极在大电流、高温环境下的使用寿命，从而降低了电极的更换频率，同时，放电电极尾端设计成螺纹结构，即使出现严重的烧蚀现象，也只需要更换电极，而不用整体更换定向辐射装置，极大的降低了使用和维护成本，操作也更加灵活方便。在本发明的较优实施例中，可以在阳极锥形支撑杆2和阴极绝缘介质支撑台5上设置如锁扣等辅助夹具，通过阳极放电电极3和阴极放电电极4中部对称预设的凹槽，就能对放电电极自身进行进一步紧固，从而防止放电电极在大功率环境中工作时可能出现的松动现象，避免因放电电极自身松动而导致的放电间距和放电中心位置的变化。

实施例2：

本实施例是在实施例1所述较优实施例的基础上对本发明装置的实际使用方法作进一步说明。

一种如实施例1所述的水下等离子体声源定向辐射装置的使用方法：

步骤1：将装置底部法兰圆盘7与外部等离子体声源设备通过螺纹连接进行密封固定；

步骤2：将阴极绝缘介质支撑台5通过自身螺纹结构与刚性抛物面声障板1中心的螺纹孔进行密封固定连接；

步骤3：将阳极放电电极3通过尾端螺纹结构与阳极锥形支撑杆2上矩形平台中心的螺纹通孔相连，头端朝向刚性抛物面声障板1底部；将阴极放电电极4通过尾端螺纹结构与阴极绝缘介质支撑台5中心的螺纹孔相连，头端与阳极放电电极3的头端相对；

步骤4：通过阴极放电电极4和阳极放电电极3尾端的螺纹结构调节两者头端间的放电间距和放电中心的位置，使放电间距为电声转换效率最佳的距离，放电中心位于刚性抛物面声障板1其抛物面的焦点上；

步骤5：将装置整体放入水池中，检查整体水密性，若发现漏水，则再次检查各组件间的连接情况；

步骤6：若未发现漏水，则可以开始正常工作。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。