摘要
冲激声源产生的冲激波被广泛应用于体外碎石、液电清砂、岩石破碎以及污水处理等领域。将冲激声源应用于声波深探测领域可以有效弥补现有几种声波测井技术在探测深度和探测分辨率上的不足。冲激声源的性能受到电路参数、水体参数、电极形状等诸多因素的影响。由此，研究水中大电流脉冲放电过程机理，分析外界条件对冲激声源电声特性的影响，并优化放电电极的电极结构，可以为冲激声源的电极设计提供依据。 本文通过对水中大电流脉冲放电过程产生冲激波的机理和放电过程进行分析，建立了脉冲放电等离子体控制方程来描述放电过程，并分析了能量转换过程。通过计算可以得到冲激波强度、激波转换效率和电声转换效率。在有限元仿真软件COMSOL中，建立了与经典实验相同的针-针电极结构，并通过求解脉冲放电等离子体控制方程，得到放电过程中产生的冲激波强度。结果显示，数值模拟结果与经典实验结果相近，从而验证了数值模拟方法的正确性。 针对不同电极结构对冲激声源电声特性的影响，建立了锥-环型电极（C型电极）、棒-环型电极（R型电极）和针-球型电极（N型电极）模型。在外回路参数保持不变的前提下，研究了不同电极间隙下C、R、N型电极的电声特性。结果显示，R型电极具有较高的冲激波强度和电声转换效率，因此选择电极间隙为8 mm下的R型电极作为优选电极。针对外界参数对冲激声源电声特性的影响，研究了充电电压、环电极半径和水介质温度对R型电极冲激声源电声特性的影响。研究结果表明，在充电电压不断增大的情况下，预击穿时间逐渐缩短，冲激波强度和电声转换效率逐渐增大，但在16 kV后，电声转换效率逐渐减小。在环电极半径为4 mm时，冲激波强度峰值、激波转换效率和电声转换效率最佳。水介质温度增大，冲激波强度峰值、激波转换效率和电声转换效率都会增大，但增幅较小。之后对R型电极结构进行优化，结果表明，优化后冲激声源的预击穿时间缩短，冲激波强度峰值从3.70 MPa增加到了 3.85 MPa,提升了 4.05％,电声转换效率从4.67％增加到了 5.00％,更适合作为冲激声源的电极结构。
NETL