CN111822313B - 基于金属丝阵电爆炸的水中声源与冲击波源 - Google Patents

基于金属丝阵电爆炸的水中声源与冲击波源 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于金属丝阵电爆炸的水中声源与冲击波源，属于高电压放电与脉冲功率技术领域。通过高压脉冲电源模块产生所需的脉冲电流；丝阵电极包括高压电极与地电极，并设有专门刻槽以固定一定长度的金属丝或金属箔，丝阵电极与金属丝配合构成空间上具有一定几何结构的金属丝阵负载；将产生的脉冲电流通入置于水中的丝阵负载上，可以分别产生一组向内传播的冲击波和向外传播的冲击波；通过在丝阵内部放置反射体，可以将向内传播的冲击波反射，形成向外传播的第二组冲击波，最终形成向外传播的两组冲击波(声波脉冲)；本发明能够实现水下声波与冲击波的调制以及多冲击波(声波脉冲)序列的产生，对于工业生产和科研工作具有重大应用价值。

Description

基于金属丝阵电爆炸的水中声源与冲击波源
技术领域
本发明涉及一种基于金属丝阵电爆炸的水中声源与冲击波源，属于高电压放电与脉冲功率技术领域。
背景技术
在高电压放电与脉冲功率技术领域，水中放电伴随的冲击波效应在能源开发、地质勘探等领域具有广泛应用。将纤细的金属丝或箔片至于水中，并通入电流脉冲，金属丝迅速气化、电离，呈现爆炸与冲击波现象，被称为水中金属丝电爆炸。这是一种特殊的水中放电，具有较高的电能到冲击波能的能量转换效率，而且产生的冲击波高频分量丰富、稳定性好。因此，利用水中金属丝电爆炸冲击波的相关技术近年来受到越来越多关注。
但是，水中金属丝电爆炸的冲击波产生依赖于金属丝的相变，在外施电脉冲的作用下，金属丝不断气化(爆炸)并伴随电离，导致爆炸产物电导率不断上升，阻碍能量进一步沉积，致使产生的冲击波衰减快、总能量低。研究发现，金属丝汽化过程对冲击波贡献显著，为产生特定储能下最强的冲击波，需要在确保负载完全汽化的前提下，使金属丝的质量尽可能大。然而，金属丝尺寸选取需考虑集肤效应、系统绝缘水平、磁流体不稳定性等因素，不可能无限制增加。因此，在不改变负载结构的前提下，水中金属丝电爆炸冲击波强度存在上限，冲击波参数调节范围有限。这严重制约了水中金属丝电爆炸的发展与应用，增加了相关工程应用的时间与设备成本。
发明内容
针对上述缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种基于金属丝阵电爆炸的水中声源与冲击波源；该装置是一种更为灵活可控的水中冲击波源，采用多根金属丝并联组成在空间上具有一定结构的金属丝阵，通过脉冲电流驱动丝阵中的多根金属丝电爆炸，可以大大提高冲击波的强度与参数变化范围，并形成冲击波(声波脉冲)序列，对于水中冲击波源或声源的应用具有十分重要的意义。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
基于金属丝阵电爆炸的水中声源与冲击波源，包括：高压脉冲电源与金属丝阵负载，高压脉冲电源的高压输出端与金属丝阵负载的高压电极相连，高压脉冲电源的接地端与金属丝阵负载的地电极相连并接地，金属丝阵负载包括：金属丝/箔，金属丝/箔被用于通入脉冲电流并产生电爆炸，形成冲击波。
上述高压脉冲电源提供脉冲电流的周期从ns尺度到ms尺度，电流幅值从0.01kA到100kA。
具体的，金属丝阵负载包括高压电极、地电极和金属丝/箔，高压电极和地电极设有刻槽以固定金属丝/箔，金属丝/箔的两端分别固定在高压电极和地电极上，通过压片或焊锡固定。
上述金属丝阵负载工作在水介质或其他液体介质环境中。
上述水或其他液体介质可以为海洋、湖泊、油井下、实验室腔体内。
上述金属丝阵负载固定在绝缘与固定结构上。
上述金属丝阵负载层数可以为1～3层。
进一步地，金属丝/箔包括两根以上的金属丝或一定尺寸的金属箔，单根金属丝或单个金属箔长度在0.05cm～100cm之间，单根金属丝直径或单个金属箔厚度在5um～1000um之间。
进一步地，金属丝/箔材质可以为任意金属材质，也可以为碳，也可以为半导体材质，组成丝阵的多个金属丝/箔材料可以为同一种，也可以不同。
进一步地，高压电极与地电极可以为直线型，与金属丝/箔组成水中平面型丝阵。
进一步地，高压电极与地电极可以为圆、抛物线、椭圆线的一部分，与金属丝/箔组成水中曲面型丝阵。
进一步地，高压电极与地电极可以为圆环型，与金属丝/箔组成水中柱形、锥形、球形、椭球形丝阵。
进一步地，将球状、圆柱或圆锥状的反射体置入金属丝阵中或一侧，对丝阵电爆炸后向内传播的冲击波进行反射。
进一步地，金属丝阵的特征尺寸在0.5cm～50cm。
进一步地，反射体的材质可以为陶瓷、金属。
进一步地，反射体的特征尺寸在0.5cm～50cm。
本发明还公开了一种多冲击波(声波脉冲)序列的产生方法：
1、本发明中，通过对称的柱形或球形丝阵，可以自然地产生2个向外传播的冲击波；
2、本发明中，通过调节对称的柱形或球形丝阵的几何尺寸或内置反射体的尺寸，可以实现对两个冲击波时延的调制；
3、本发明中，通过多层丝阵的嵌套，可以实现更多的冲击波序列。
有益效果
1、本发明的一种基于金属丝阵电爆炸的水中声源与冲击波源，通过在空间中预置具有一定几何形状的金属丝/箔，组成阵列，并在脉冲电流的作用下产生电爆炸，由于金属丝阵会产生多个冲击波，在一定范围内冲击波会得到增强，提高能量转换效率；
2、本发明的一种基于金属丝阵电爆炸的水中声源与冲击波源，由于金属丝阵参数可调，将在更大范围内改变冲击波的参数，为水中冲击波参数调制带来便利；
3、本发明的一种基于金属丝阵电爆炸的水中声源与冲击波源，通过改变金属丝的空间位置与结构，可以实现任意形状的冲击波源；
4、本发明的一种基于金属丝阵电爆炸的水中声源与冲击波源，丝阵电爆炸将会产生两个以上的多冲击波(声波脉冲)序列，这是其他形式水中放电不具备的。
附图说明
图1为本发明基于金属丝阵电爆炸的水中声源与冲击波源几种典型丝阵负载结构示意图；
图2为本发明基于金属丝阵电爆炸的水中声源与冲击波源装置结构示意图。
图中，1—高压脉冲电源，2—高压连接线，3—接地连接线，4—高压电极，5—反射体， 6—金属丝/箔，7—地电极，8—液体介质容器。
图3为冲击波产生过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细描述。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“金属丝/箔”在本发明的描述中，金属丝一般指导电的细长条状结构，成分可以是金属、复合材料或半导体等非绝缘材质，金属箔一般是片状。由此，术语“金属丝阵”或“金属丝阵负载”包含两个以上金属丝或一片以上的金属箔。
在本发明的描述中，“金属丝阵负载”指的是高压电极、地电极与金属丝/箔三部分的统称。
在本发明的描述中，“反射体”指的是具有一定硬度的材料，可以是陶瓷类、金属类，也可以是实验室中动态高压加载试验的靶。
在本发明的描述中，用于描述冲击波方向时，“向内”“向外”对于具有球面或柱面拓扑结构的丝阵而言是明确的，当丝阵不能组成完整的球面或柱面拓扑结构时，向内指的是靠近反射体的一侧，向外指的是另一侧。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”“安装”“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。相应地，“连接线”可以是具体的线缆，也可以是机械结构等，起到电气与机械连接的作用。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图2所示，本发明提供了一种基于金属丝阵电爆炸的水中声源与冲击波源，包括：具有高压输出和接地两个输出端的高压脉冲电源1，高压连接线2，接地连接线3，高压电极4，反射体5，金属丝/箔6，地电极7，液体介质容器8。
其中高压脉冲电源1的高压输出端经过高压连接线2与高压电极4相连，高压脉冲电源1的接地输出端经过接地连接线3与地电极7相连，高压电极4与地电极7之间通过金属丝/ 箔6实现电气连接。
在安装金属丝/箔6之前，高压电极和地电极之间没有其他电气连接，处于高电阻值状态。
在金属丝/箔6内部或一侧，与主放电回路电气绝缘，固定安装反射体5，实现对向内传播冲击波的反射。
高压电极4、反射体5、金属丝/箔6、地电极7、以及部分高压连接线2与接地连接线3需要至于水或其他液体介质中，由液体介质容器8来提供这样的环境。
液体介质容器8可以是海洋、湖泊、油井或实验室腔体。
所有的部件按照需求安装在绝缘与固定结构上。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
本发明的工作过程及原理为：
通过高压脉冲电源产生电脉冲，电脉冲作用在金属丝阵负载上，金属丝阵负载中的金属丝/箔电爆炸产生沿金属丝向外传播的冲击波，冲击波经过传播与合并，形成沿丝阵向内与向外传播的两组冲击波。向内传播的冲击波与反射体相遇并反射，与向外传播的冲击波先后形成两组向外传播的冲击波。对于多层嵌套的丝阵，产生向外传播冲击波的个数为嵌套层数的两倍。
本发明中的几种典型丝阵负载结构，如图1所示。
实施例1：
利用本发明提出的方法，实现双冲击波序列的产生。下面以图1(a)为例进行介绍。
将16根直径50μm的金属铜丝均匀安装在高压电极4与地电极7之间，组成柱形金属丝阵，该柱形高约10cm，直径约15cm。通过高压脉冲电源，对金属丝阵施加一微秒电脉冲，电脉冲总能量为1000J量级，电脉冲峰值电流在50kA左右，上升沿3～4μs，确保金属丝阵能够气化并发生爆炸。
选择直径为10cm、高10cm的刚玉柱，放置在金属丝阵几何中心并安装牢固，并与金属丝阵电气绝缘，做为反射体5。施加电脉冲前，将上述部件至于水介质中。电脉冲施加后，16根金属丝发生电爆炸，各自膨胀产生冲击波，冲击波在传播过程中逐渐汇聚合并，产生两个圆柱面形的冲击波，一个冲击波S1向外发展，一个冲击波S2向内汇聚。向内汇聚的冲击波传播5cm的距离后与反射体5相遇，发生强反射，变成第二个向外发展的冲击波S2’。自此，在金属丝阵的外部，将测到前后两个连续冲击波S1与S2’，其中S1强于S2’。上述冲击波(声波脉冲)产生过程如图3所示。
优化地，可以通过金属丝阵尺寸与反射体尺寸的配合，调节S1与S2’之间的间隔。水中冲击波传播速度约1.5m/ms，因而S1与S2’之间的时间间隔一般在ms以内。
优化地，可以通过调节金属丝阵尺寸、金属丝参数、脉冲电流参数，改变S1与S2’各自的波形参数。
更一般地，金属丝阵的初始形状可以为平板型或曲面型，如图1(c)，产生定向的冲击波；或者设置为球形、椭球形，如图1(d)，以获得更多地冲击波参数。
实施例2：
在另一个案例中，利用本发明提出的方法，实现多冲击波序列的产生。下面以图1(b) 为例进行介绍。
将16根直径50μm的金属铜丝均匀安装在高压电极4与地电极7之间，组成内圈的柱形金属丝阵，直径15cm，丝阵高10cm；将32根直径50μm的金属铜丝均匀安装在高压电极4 与地电极7之间，组成外圈的柱形金属丝阵，直径30cm，丝阵高10cm。两个金属丝阵可以并联同步电爆炸，也可以通过两路电脉冲分别驱动放电实现电爆炸(异步)。
选择直径为10cm、高10cm的刚玉柱，放置在金属丝阵几何中心并安装牢固，并与金属丝阵电气绝缘，做为反射体5。施加电脉冲前，将上述部件至于水介质中。电脉冲施加后：①同步电爆炸时，内圈丝阵与外圈丝阵中的金属丝同时爆炸，内圈丝阵产生向外冲击波S1与向内冲击波S2，外圈丝阵产生向外冲击波S3与向内冲击波S4，S2与S4先后被反射体反射，变为S2’与S4’，自此，在金属丝阵的外部，可以测得4个冲击波，先后顺序为S3、S1、S2’、 S4’，在这种情况下，通过调节外圈丝阵、内圈丝阵与反射体的几何尺寸，实现上述4个冲击波之间的间隔。②同步电爆炸时，内圈丝阵与外圈丝阵分别在两个电脉冲的作用下爆炸，爆炸时刻本身的时延会进一步改变S3、S1、S2’、S4’之间的间隔，给予冲击波调控更大的灵活度。
实施例3：
在另一个案例中，利用本发明提出的方法，实现两种形式冲击波的组合。下面以图1(e) 为例进行介绍。
将16根直径50μm的金属铜丝均匀安装在高压电极4与地电极7之间，组成柱形金属丝阵，该柱形高约10cm，直径约15cm。通过高压脉冲电源，对金属丝阵施加一微秒电脉冲，电脉冲总能量为1000J量级，确保金属丝阵能够气化并发生爆炸。
选择直径为10cm、高10cm的刚玉圆锥，放置在金属丝阵几何中心并安装牢固，并与金属丝阵电气绝缘，做为反射体5。施加电脉冲前，将上述部件至于水介质中。电脉冲施加后， 16根金属丝发生电爆炸，各自膨胀产生冲击波，冲击波在传播过程中逐渐汇聚合并，产生两个圆柱面形的冲击波，一个冲击波S1向外发展，一个冲击波S2向内汇聚。向内汇聚的冲击波传播一定距离后与反射体5相遇，发生强反射，变成第二个向外发展的冲击波S2’，但该冲击波的方向与形状发生了改变。自此，在金属丝阵的外部，将测到前后两个连续冲击波S1与S2’，其中S1为柱面传播的冲击波，S2’为锥面传播的冲击波。
实施例4：
在另一个案例中，利用本发明提出的方法，实现两种形式冲击波的组合。下面以图1(f) 为例进行介绍。
将16根直径50μm的金属铜丝均匀安装在高压电极4与地电极7之间，组成平面型金属丝阵，高约10cm，直径约10cm。通过高压脉冲电源，对金属丝阵施加一微秒电脉冲，电脉冲总能量为1000J量级，确保金属丝阵能够气化并发生爆炸。
选择宽为10cm、高10cm的刚玉凹面，放置在金属丝阵一侧，并与金属丝阵电气绝缘，做为反射体5。施加电脉冲前，将上述部件至于水介质中。电脉冲施加后，16根金属丝发生电爆炸，各自膨胀产生冲击波，冲击波在传播过程中逐渐汇聚合并，产生两个平面冲击波，一个冲击波S1向外发展(远离反射体)，一个冲击波S2向内发展(接近反射体)。向内发展的冲击波传播一定距离后与反射体5相遇，发生强反射，变成汇聚冲击波S2’。自此，在金属丝阵的外部，反射体的焦点附近，将测到前后两个连续冲击波S1与S2’，其中S1为平面的冲击波，S2’为汇聚冲击波。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于金属丝阵电爆炸的水中声源与冲击波源，其特征在于：包括：高压脉冲电源、高压连接线、接地连接线、反射体、金属丝阵负载和液体介质容器；所述金属丝阵包括高压电极、地电极和金属丝/箔，金属丝/箔的两端分别固定在高压电极和地电极上；反射体置于金属丝阵中心或一侧，对丝阵电爆炸后向内传播的冲击波进行反射；金属丝阵和反射体整体置于液体介质容器中；高压脉冲电源的高压输出端通过高压连接线与金属丝阵的高压电极相连，高压脉冲电源的接地端通过接地连接线与金属丝阵的地电极相连并接地；金属丝/箔被用于通入脉冲电流并产生电爆炸，形成水中声波脉冲或冲击波；通过对称的柱形或球形丝阵，能够自然地产生2个向外传播的冲击波；通过调节对称的柱形或球形丝阵的几何尺寸或内置反射体的尺寸，能够实现对两个冲击波时延的调制；通过多层丝阵的嵌套，能够实现更多的冲击波序列。
2.如权利要求1所述的基于金属丝阵电爆炸的水中声源与冲击波源，其特征在于：所述高压电极和地电极设有刻槽以固定金属丝/箔。
3.如权利要求1所述的基于金属丝阵电爆炸的水中声源与冲击波源，其特征在于：金属丝/箔包括两根以上的金属丝或一定尺寸的金属箔，单根金属丝或单个金属箔长度在0.05cm～100cm之间，单根金属丝直径或单个金属箔厚度在5um～1000um之间。
4.如权利要求1所述的基于金属丝阵电爆炸的水中声源与冲击波源，其特征在于：所述金属丝/箔材质包括碳和半导体材质，组成丝阵的多个金属丝/箔材料为同一种类或者不同种类。
5.如权利要求1所述的基于金属丝阵电爆炸的水中声源与冲击波源，其特征在于所上述高压脉冲电源提供脉冲电流的周期从ns尺度到ms尺度，电流幅值从0.01kA到100kA；所述液体介质容器包括海洋、湖泊、油井下、实验室腔体内；所述金属丝阵固定在绝缘与固定结构上；所述金属丝阵层数为1～3层。
6.如权利要求1所述的基于金属丝阵电爆炸的水中声源与冲击波源，其特征在于：高压电极与地电极为直线型，与金属丝/箔组成水中平面型丝阵；或者高压电极与地电极为圆、抛物线、椭圆线的一部分，与金属丝/箔组成水中曲面型丝阵；或者高压电极与地电极为圆环型，与金属丝/箔组成水中柱形、锥形、球形、椭球形丝阵。
7.如权利要求1所述的基于金属丝阵电爆炸的水中声源与冲击波源，其特征在于：金属丝阵的特征尺寸在0.5cm～50cm；反射体的材质包括陶瓷和金属；反射体的特征尺寸在0.5cm～50cm。
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